【文章內(nèi)容簡介】 式中： eT —— 電磁轉(zhuǎn)矩。 J —— 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 K? —— 摩擦系數(shù)。 LT —— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 （ 4） 轉(zhuǎn)矩方程 SR 電機(jī)內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩，可以通過磁共能 mW? 和對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系表達(dá)，其具體方程為： 12( , , , .. ., , .. .. , )m k me W i i i iT ? ???? ? （ 25） 式中 mW? —— 繞組的磁共能 基于理想線性模型的 SR 電動(dòng)機(jī)分析 SR 電機(jī)的相電感模型 由 前面所述 可知， SR 電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系非常復(fù)雜，所以很難準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)磁路的關(guān)系。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。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。 圖 23 定、轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置與相繞組電感曲線 在圖 23 中，令定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置為 ? =0 的位置。此時(shí)的相電感是最小值 minL 在 12()??? 范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極不重疊，相電感始終保持為最小值 minL ，這時(shí)磁阻是最大的。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到 2? 位置后，轉(zhuǎn)子凸極的前沿開始與定子凸極的后沿對(duì)齊。此后，轉(zhuǎn)子和定子開始隨著轉(zhuǎn)子角的增加而部分重疊，相電感開始線性地增加，直到 3? 位置為止，這時(shí)轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子凸極的前沿對(duì)齊。因?yàn)檗D(zhuǎn)子與定子凸極完全重合，所以這時(shí)相電感達(dá)到最大值 maxL ，但磁阻最小，這種情況一直保持到 4?的位置。 4? 是轉(zhuǎn)子凸極的后沿與 定子凸極的后沿對(duì)齊的位置，轉(zhuǎn)過 4? 后，轉(zhuǎn)子和定子開始隨著轉(zhuǎn)子角的增加而部分錯(cuò)開，相電感開始線性地下降，直到轉(zhuǎn)子凸極的后沿與定子凸極的前沿對(duì)齊，即到 5? 位置。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。以此類推進(jìn)行循環(huán)。其理想化的相電感與轉(zhuǎn)子位置角的線性方程式為： ? ?m in 1 22 m in 2 3m a x 3 4m a x 4 4 5( ) ( ) ()()( ) ( )LKLLLLK? ? ?? ? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ????? ? ? ? ??? ? ???? ? ? ? ?? （ 26） 式中， m a x m in s( ) / , sK L L ???? —— 定子磁極弧。 SR 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 在理想的線性模型中，如果假設(shè) SR 電機(jī)的磁路不飽和，則有： 21122mmW W i Li??? ? ? （ 27） 從而得出電磁轉(zhuǎn)矩為： 21( , ) 2e LT i i? ??? ? （ 28） 將電感與位置角的線性方程代入 (2． 8)，可得： 12223342450 ( )1 ()20 ( )1 ()2eKiTKi? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?????? ????? ????? ? ??? （ 29） 通過 (29)式，我們可以得出如下結(jié)論： （ 1） 由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)氣隙磁導(dǎo)變化的發(fā)生，從而產(chǎn)生了 SR 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，電感對(duì)位置角的變化率越大，轉(zhuǎn)矩就越大。還可以得出， SR 電機(jī)的轉(zhuǎn)子數(shù)越少，越可以增大電感對(duì)位置角的變化率，也就有利于增大電機(jī)的出力。 （ 2） 從式中可以看出，電磁轉(zhuǎn) 矩的大小與電流的平方成正比。因此可以通過增大電流的大小直接增大 SR 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 （ 3） 在電感曲線的上升階段 23()??? 通電時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為正，繞組的電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩；在電感的最大階段 34()??? 通電，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為零，如果繞組在這個(gè)區(qū)域有電流流過，只能回饋給電源，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；在電感曲線的下降階段 45()??? 通電，因旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，從而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。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。 （ 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。 考慮磁路飽和時(shí) SR 電動(dòng)機(jī)的分析 基于非線性模型的 SR 電動(dòng)機(jī)分析十分復(fù)雜，必須借助數(shù)值算法（包括電磁場(chǎng)有限元分析、數(shù)字仿真等方法）實(shí)現(xiàn)。為了避免繁瑣的計(jì)算 ，又近似考慮磁路的飽和效應(yīng)，常借助準(zhǔn)線性模型：將實(shí)際非線性磁化曲線作分段線性的近似處理，且忽略磁耦合的影響。 分段線性化的方法有多種。圖 24 為 SR 電動(dòng)機(jī)分析中常用的一種準(zhǔn)線性模型的磁化曲線，即用兩段線性特性來近似一系列非線性磁化曲線。其中一段為磁化特性的非飽和段，其斜率為 電感的不飽和值；另一段為飽和段，可視為與 ? =0 位置的磁化曲線平行，斜率為 minL 。圖中的 1i 是根據(jù)對(duì)齊位置下磁化曲線決定的，一般定在磁化曲線開始彎曲處。 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。 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。在相電流為理想平頂波的情況下， SR 電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩 avT 的解析式為： 2 2222 m i n m a x m i n1( ) ( )22 o ffs o nra v o ffUNTm L L L??????? ??? ? ??? （ 212） 上 述基于準(zhǔn)線性模型的計(jì)算方法多用于分析計(jì)算功率變換器和控制策略中。從式（ 211）可以看出：當(dāng) SR 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電流值很小的情況下時(shí)，磁路不飽和，電磁轉(zhuǎn)矩與電流平方成正比；當(dāng)運(yùn)行在飽和情況下時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電流的一次方成正比。這個(gè)結(jié)論可以作為制定控制策略的依據(jù)。 從式（ 212）可以看出：當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī) 一旦 確定，相數(shù) m 和轉(zhuǎn)子齒極數(shù) rN 就固定了，電磁轉(zhuǎn)矩由外施電壓 sU 、角速度 ? 、開通角 on? 和關(guān)斷角 off? 決定。 基于此，本設(shè)計(jì)采用如下策略： 在低速運(yùn)行時(shí)，為了限制繞組電流不超過允許值，可以調(diào)節(jié)外施電壓 sU 、開通角 on?和關(guān)斷角 off? 三個(gè)控制量。為了在基速以下獲得恒 轉(zhuǎn)矩特性，則可以固定開通角 on? 和關(guān)斷角 off? ，通過斬波控制外施電壓。即低速時(shí)本設(shè)計(jì)采用電流斬波控制 （ CCC） 。 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。 也即采用角度位置控制 (APC)。 SR 電機(jī)的基本控制方式 (一 )、角度 位置 控制 角度控制就是對(duì)決定 SR 電 機(jī)性能的兩個(gè)主要控制參數(shù)開通角 on? 和關(guān)斷角 off? 進(jìn)行最優(yōu)控制。通過改變開通角和關(guān)斷角 ，可實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩性質(zhì)、大小和相電流波形的最優(yōu)控制，從而最佳地調(diào)節(jié) SRM 的效率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向。在假設(shè)轉(zhuǎn)速、母線電壓不變的情況下，固定 on? 并調(diào)節(jié) off? 隨著 off? 的增加，開通電流時(shí) 間增加；同理，當(dāng) 固定 off? ，調(diào)節(jié) on? ，隨著 on? 的減小，開通電流時(shí)間增加。并且調(diào)節(jié) off? ，相電流的改變更加顯著。 (二 )、電流斬波控制 電流斬波控制就是保持開通角 on? 和關(guān)斷角 off? 不變，通過給定的允許電流上限幅值maxi 和下限幅值 mini 來控制有效電壓的導(dǎo)通時(shí)間 。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。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。 (三 )、電壓斬波控制 電壓斬波控制是 SRM 在低速運(yùn)行時(shí)，利用電壓 PWM 控制器對(duì)繞組采樣電流 與指令電流進(jìn)行跟蹤控制。開通角 on? 位置功率電路開關(guān)器件按最大占空比導(dǎo)通，繞組電流從 0 開始上升，當(dāng)電流超過指令值時(shí)，通過 PID 調(diào)解器或其他控制算法減小開關(guān)器件導(dǎo)通的占空比，使繞組電流減小并接近指令電流；當(dāng)繞組電流小于 指令電流時(shí)，再增大開關(guān)器件導(dǎo)通的占空比，使繞組電流又開 始增長并接近指令 電流，以后 不斷重復(fù)這一過程，形成電壓斬波控制，直至關(guān)斷角 off? 位置功率開 關(guān)器件完全關(guān)斷，電流衰減至 0，SRM 換向，對(duì)換向后的繞組仍采用電壓斬波控制。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)總體方案的確定 根據(jù)開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成可以得到 SRD 控制系統(tǒng)的原理圖，如下圖 25所示 . SRD 系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差 (給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差 )給出電流參考值，電流參考值與電流反饋值通過電流調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)和換相邏輯信號(hào)進(jìn)行邏輯“與 后輸出的信號(hào)來 控制功率變換器的開通與關(guān)斷，通過調(diào)壓開關(guān)對(duì)電機(jī)各相繞組供電電源平均值的控制來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。換相邏輯是通過電機(jī)轉(zhuǎn)角和給定開通角、關(guān)斷角來決定的。 圖 25 SRD 控制系統(tǒng)原理圖 綜上所述 ,本設(shè)計(jì)采用電流調(diào)節(jié)和控制方式相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法 ，在低速時(shí)采用電流斬波控制，此時(shí)電流閉環(huán)；高速時(shí)采用角度位置控制即單脈沖控制，此時(shí)電流開環(huán)。 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)。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)。驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)以 ATMEL 公司的單片機(jī) AT89C51 和電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800 為控制核心，包括控制核心單片機(jī) AT89C51 的資源分配和外圍電路設(shè)計(jì)、電機(jī)智能控制模塊MCSRD9800 的使用、位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、 D／ A 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的邏輯綜合以及單片機(jī)最小 電路設(shè)計(jì)。本章將按以上部分詳細(xì)介紹4kW 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 。 樣機(jī) 的參數(shù) 本 設(shè)計(jì)使用的樣機(jī) 是一臺(tái)三相 12／ 8 極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下：額定功率 4kW，額定電壓 513V，額定轉(zhuǎn)速 1000r／ min，額定工況下繞組的平均電流 5A，有效值電流 9A，峰值電流 19A。整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是以這些參數(shù)為基礎(chǔ)的。