【正文】 的電流迅速下降，而吸收電路中電流以相同的變化率上升。由上面計(jì)算可知吸收電容 C 為 0． 1uF／ 1600V，功率 MOSFET 的最大開關(guān)頻率為 2kHz，可由下式估算得： 1 = 8 0 06fR C???? （ 310） 由上式計(jì)算得到吸收電阻不應(yīng)大于 800 歐姆，本系統(tǒng)中選用 390 歐姆。 圖 310 硬件 總體方案 的 結(jié)構(gòu)框圖 3． 3． 2 控制核心 AT89C51 功能 本系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51 作為邏輯控制單元，它具有 4K 內(nèi)部 Flash ROM、 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM、兩個(gè)十六位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、四個(gè) 8 位 I／ O 口、 128 個(gè)位尋址單元，并可同時(shí)對(duì)外部 64K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和 64K 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址。MCSRD9800 模塊內(nèi)部產(chǎn)生兩路 PWM 信號(hào)輸出為 PWMl 和 PWM2，它能做到通上橋斬下橋，通下橋斬上橋，從而使上下兩個(gè)橋臂輪流斬波，使得上下橋臂功率模塊的能力得到到均勻的發(fā)揮。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是各相主開關(guān)器件正確進(jìn)行邏輯切換的重要依據(jù)，轉(zhuǎn)子相對(duì)位置，以反饋至邏輯控制電路，位置檢測(cè)的目的是要用位置傳感器測(cè)定確定對(duì)相繞組的開通或關(guān)斷。齒槽盤與轉(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒槽盤的齒槽從光電傳感元件的槽中順序穿過，當(dāng)它的齒進(jìn)入槽中時(shí)便遮擋住發(fā)光二極管的光線，使光電三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，其集電極輸出高電平給單片機(jī) AT89C51：當(dāng)光電盤的槽在這一位置 時(shí)，發(fā)光二極管的光線能夠照射到光電三極管，使之飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平給單片機(jī) AT89C51，光電三極管電平高低的變化通過如圖 313 所示的適當(dāng)?shù)耐饨幼儞Q電路轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)低速重載運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)采用電流斬波控制方式，通過檢測(cè)得到的繞組電流幅值與單片機(jī)給出的參考電流斬波閾值進(jìn)行比較，從而決定電流斬波控制輸出；在智能控制模塊 MCSRD9800 內(nèi)部提供了電流峰值保護(hù)功能，通過設(shè)置電路圖中RP300、 RP30 RP302 三個(gè)電位器對(duì)應(yīng)的 ICC、 ICB、 ICA 三個(gè)管腳輸入的電壓參考值，同檢測(cè)的電流峰值進(jìn)行比較，起到保護(hù)功率主電路和電機(jī)的作用。對(duì)于上下橋臂同時(shí)斬波的方式的缺點(diǎn)是同時(shí)斬波增加了系統(tǒng)的開關(guān)損耗，另外由于續(xù)流回路加在電源回路上，造成電流不連續(xù)，易引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。 3． 3． 1 硬件 總體 方案 的 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng) 硬件 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 310 所示 。但 R 過小，在器件導(dǎo)通時(shí)， RC 放電電流過大、過快，可能危及器件的安全也可能引起振蕩。 3． 2． 4 功率 緩沖（ 吸收 ） 電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用常用的 RCD 緩沖電路， 如圖 39 所示。目前，供 MOSFET 使用的驅(qū)動(dòng)電路形式多種多樣，各自的功能也不盡相同。特別是開關(guān)磁阻電機(jī)高速運(yùn)行和以較高斬波頻率進(jìn)行電流斬波控制方式運(yùn)行時(shí)，允許續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)間較短，反向快恢復(fù)特性尤為重要。 功率電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中功率變換器主電路電源是由三相交流 380V 經(jīng)過整流得到的直流電源，再經(jīng)過并聯(lián)的大穩(wěn)壓濾波電容給開關(guān)磁阻電機(jī)各相繞組供電；功率變換器的主開關(guān)器件 VT、 VT VT VT3 選用的是功率 MOSFET；各相的續(xù)流二極管 VD、 VDVD VD3 均采用快恢復(fù)二極管。 H橋型主電路只適用于四相或四的倍數(shù)相 SRM，它也是四相 SRM廣泛采用的一種功率變換器主電路形式。由于采用電容分壓，加到電機(jī)繞組兩端的電源電壓 為 1/2Us，電源電壓的利用率降低。實(shí)際上，主、副繞組之間不可能完全耦合，致使在 VT1關(guān)斷瞬間，因漏磁及漏感作用，其上會(huì)形成較高的尖峰電壓，故 VT1需要有良好的吸收回路才能安全工作。 這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn) ： 一是開關(guān)器件電壓 容量要求比較低，特別適合于高壓和大容量場(chǎng)合；二是各相繞組電流可以獨(dú)立控制，且控制簡單。功率變化器電路設(shè)計(jì) 包括功率變換器主電路設(shè)計(jì)及功率元件定額選型、功 率變換器主開關(guān)器件驅(qū)動(dòng) 電路 設(shè)計(jì)及緩沖電路設(shè)計(jì)。經(jīng)一段時(shí)間后，電流低于指令值達(dá)到電流下限值時(shí)，重新使開關(guān)器件導(dǎo)通，繞組在正向電壓作用下電流 又開始回升，不斷重復(fù)這一過程，則形成斬波電流波形，直至關(guān)斷角 off? 位置功率開關(guān)器件關(guān)斷，電流衰減至 0， SRM 進(jìn)行換向，對(duì)換向后的繞組仍然采用電流斬波控制。 在基速以上、第二臨界轉(zhuǎn)速以下，可以保持外施電壓不變，通過調(diào)節(jié)開通角 on? 和關(guān)斷角 off? 獲得恒功率特性。 利用 磁化曲線算出磁共能，然后對(duì)轉(zhuǎn)子位置角求導(dǎo)數(shù)，即可算出電磁轉(zhuǎn)矩： 122123111e3414511101021()201022KiiiiiK i i iTiK i i iiK i i i i? ? ?? ? ??? ? ?? ? ???????? ?????? ?????? ????? ?? ? ????? ???? ?? ? ?????（ ， ）（ ） （ 211） 由于 SRD 系統(tǒng)的控制模式不同，相電流波形不同，統(tǒng)一的 SR 電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩 avT解析式難以得到。 （ 4） 為了得到較大的電磁轉(zhuǎn)矩，一方面，在繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置上升區(qū)域應(yīng)盡可能地流過較大的電流，所以開通角 on? 一般要設(shè)計(jì)在 2? 之前；另一方面，為了能減少制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感開始隨轉(zhuǎn)子位置 減少之前應(yīng)盡快使繞組電流衰減到零，所以關(guān)斷角 off? 一般要設(shè)計(jì)在 3? 之前，本文中關(guān)斷角取 23( ) / 2off? ? ??? ，即電感上升區(qū)域的中間位置。以此類推進(jìn)行循環(huán)。假設(shè)不計(jì)電機(jī)磁路飽和的影響，繞組的電感與電流大小也無關(guān)，并忽略磁通的邊緣效應(yīng)和所有的功率損耗，這樣得到的相電感即是理想的相電感，其理想化的相電感隨轉(zhuǎn)子位置角 ?變化的規(guī)律如圖 23 所示。那么可得磁鏈方程為： ( , )k k k kL i i??? （ 22） 由于 SR 電機(jī)磁路的非線性，所以每相電感 kL 是相電流 ki 和轉(zhuǎn)子位置角 k? 的函數(shù)，將 (22)代入 (21)中可得： ()k k k k k kk k k k k k k kkkd i L d i Lddu R i R i L i ii d t d t i d t d t?? ????? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? （ 23） 由公式 (23)表明，電源的電壓可分為三部分壓降。 另外，當(dāng)主開關(guān)器件 S S2 導(dǎo)通時(shí)， A 相繞組從直流電源 E 吸收電能，而當(dāng)主開關(guān)器件 S S2 關(guān)斷時(shí)，繞組電流經(jīng)過續(xù)流二極管 D D2 繼續(xù)流通，并回饋給電源 E，因此開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的共性特點(diǎn)是具有再生作用，系統(tǒng)效率高。 當(dāng)定子 A 相磁極軸線 OA 與轉(zhuǎn)子磁極軸線 Oa 不重合時(shí)，開關(guān) Sl、 S2 合上， A 相繞組通電，電動(dòng)機(jī)內(nèi)建立起以 OA 為軸線的徑向磁場(chǎng)，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛等處閉合。 SR電機(jī)的功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電動(dòng)機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件的種類有關(guān)。 （ 5） 實(shí)用無位置傳感器方案的研究。 （ 4）系統(tǒng)運(yùn)行需要電動(dòng)機(jī)位置信號(hào)的反饋，而位置傳感器的引入使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將逐漸占據(jù)電氣傳動(dòng)市場(chǎng)。二者綜合作用的結(jié)果必然使之適用于頻繁啟動(dòng)、停車以及正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，次數(shù)可達(dá) 1000 次 /小時(shí)。典型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)是：起動(dòng)電流為 15%額定電流時(shí)獲得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 100%的額定轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)電流為額定值的 30%時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定值 150%。而不像在一般電動(dòng)機(jī)中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，異步電 動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)也尚有一些未盡如人意之處。在控制軟件設(shè)計(jì)中采用模塊化編程，增強(qiáng)了程序的通用性和可讀性。其中電機(jī)智能控制模塊實(shí)現(xiàn)速度、電流雙 PI 調(diào)節(jié)、 PWM 生成、電流保護(hù)、斬波比較等功能；單片機(jī)負(fù)責(zé)判斷轉(zhuǎn)子的位置信息，并綜合各種保護(hù)信號(hào)和給定信息，以及轉(zhuǎn)速情況，給出相通信號(hào)及電流斬波閾值。自 60 年代以后，隨著電力電子技術(shù)、微電子 技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化，特別是異步電動(dòng)機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論的產(chǎn)生及應(yīng)用技術(shù)的推廣，使得異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度，快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，其動(dòng)、靜態(tài)特性完全可以和直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美，于是出現(xiàn)了交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)的趨勢(shì)。 （ 2）各相工作獨(dú)立、系統(tǒng)可靠性高 從電動(dòng)機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相互獨(dú)立，各自 在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 （ 4）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，啟 動(dòng)電流小 控制器從電源側(cè)吸收較少的起動(dòng)電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一大特點(diǎn)?？煽貐?shù)多使之能在制動(dòng)運(yùn)行同電動(dòng)運(yùn)行具有同樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)由于具有串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性，因此在發(fā)展的初期主要應(yīng)用在電力機(jī)車的牽引上。 （ 3）開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相數(shù)越多，主接線數(shù)越多。 （ 4） 完善開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器及控制器三者之間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。由于 SR 電機(jī)繞組電流是單向的，使得 功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu) 簡單， 而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的，可以避免直通短路危險(xiǎn)。其中 S S2 是功率電子開關(guān)， D D2 是二極管， E 是直流電源。 綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論： SR 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向總是逆著磁場(chǎng)軸線的移動(dòng)方向，改變 SR 電動(dòng)機(jī)定子繞組通電順序，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向；而改變通電相電流的方向，并不影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。根據(jù)線性化分析法，在計(jì)算過程中，忽略 SR 電機(jī)中各相繞組間互感。本文為了弄清楚電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，對(duì)電機(jī)進(jìn)行線性模式分析。隨后，轉(zhuǎn)子凹槽開始進(jìn)入定子凸極區(qū)域，相電感重新減到最小值 minL ，磁阻最大。因此，可以通過改變繞組的通電時(shí)間來改變轉(zhuǎn)矩的方向，而改變電流的方向不會(huì)改變轉(zhuǎn)矩的方向。 圖 24 分段線 性磁化曲線 基于圖 24 的 SR 電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)線性模型，寫出繞組電感 L（ i， ? ）的分段解析式為： m in 1 2m in 212311m in 2m a x 1341m in m a x m in 1m a x 4 1451m in m a x m in 4 1()0+K ( )0( , i )+( L )( ) 0[ ( ) ]LLKiiiiiLiL i iLiL L i iiL K i iiL L L K i ii? ? ???? ? ????? ? ???? ? ?????????? ?? ???? ??? ?????? ?? ???????? ?? ??? ? ? ? ???? ???? ? ? ? ?? ??? （ 210） 式中， m a x m in s( ) / , sK L L ???? —— 定子磁極弧。即低速時(shí)本設(shè)計(jì)采用電流斬波控制 （ CCC） 。開通角 on? 位置功率電路開關(guān)器件導(dǎo)通，繞組電流從 O 開始上升，當(dāng)電流超過指令值達(dá)到電流上限值時(shí)，開關(guān)器 件關(guān)斷切斷繞組電流，繞組承受反壓，電流快速下降。 第三章 小功率開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的 4kW 開關(guān)磁阻電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè) 計(jì)主要分為兩大部分：即 功率變換器電路的設(shè)計(jì)和 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。當(dāng)兩只主開關(guān) VT1和 VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源 Us向電機(jī)相繞組供電；當(dāng) VT1和 VT2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，相電流沿圖中箭頭方向經(jīng)續(xù)流二極管 VD1和 VD2續(xù)流，將電機(jī)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能以電能形式迅速回饋電源，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。如設(shè)主、副繞組的匝數(shù)比為 1:1，并認(rèn)為它們完全耦合，則主開關(guān)的額定工作電壓應(yīng)為2Us。因此，為了保證上、下兩個(gè)電容的工作電壓對(duì)稱，該電路僅適用于偶數(shù)相 SRM。本電路特有的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。 根據(jù)上述的功率變換器主電路的選用依據(jù)和原則，并針對(duì)本文所研究的三 相 (12/8)開關(guān)磁阻電機(jī)，系統(tǒng)功率變換器 采用 三相公共開關(guān)型主電路。正向恢復(fù)特性能保證主開關(guān)器件斷開時(shí)，相電流迅速從主開關(guān)器件轉(zhuǎn)換到二極管續(xù)流；而反向快恢復(fù)特性則能保證二極管以足夠快的速度從導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗悦廪D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子電氣位置周期，主開關(guān)器件復(fù)又導(dǎo)通而順勢(shì)造成電源短路。 表 31 主要器件表 主要功能 器件名稱 型號(hào) 額定電壓 額定電流 主開關(guān)管 功率 MOSFET APT20GF120BR 1200V 32A 續(xù)流二極管 快速恢復(fù)二極管 MUR30120 1200V