【文章內(nèi)容簡介】 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 和on?關斷角 獲得恒功率特性。也即采用角度位置控制(APC)。of? SR 電機的基本控制方式(一)、角度位置控制角度控制就是對決定 SR 電機性能的兩個主要控制參數(shù)開通角 和關斷角 進行on?of最優(yōu)控制。通過改變開通角和關斷角，可實現(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。在假設轉(zhuǎn)速、母線電壓不變的情況下，固定 并調(diào)節(jié) 隨著 的增加，開通電流時間增加；同理，當固定on?ofof?13，調(diào)節(jié) ，隨著 的減小，開通電流時間增加。并且調(diào)節(jié) ，相電流的改變更of?onon? of?加顯著。(二)、電流斬波控制電流斬波控制就是保持開通角 和關斷角 不變，通過給定的允許電流上限幅on?of值 和下限幅值 來控制有效電壓的導通時間。開通角 位置功率電路開關器件導maximin on?通，繞組電流從 O 開始上升，當電流超過指令值達到電流上限值時，開關器件關斷切斷繞組電流，繞組承受反壓，電流快速下降。經(jīng)一段時間后，電流低于指令值達到電流下限值時，重新使開關器件導通，繞組在正向電壓作用下電流又開始回升，不斷重復這一過程，則形成斬波電流波形，直至關斷角 位置功率開關器件關斷，電流衰減of?至 0，SRM 進行換向，對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 在低速運行時，利用電壓 PWM 控制器對繞組采樣電流與指令電流進行跟蹤控制。開通角 位置功率電路開關器件按最大占空比導通，繞組on?電流從 0 開始上升，當電流超過指令值時，通過 PID 調(diào)解器或其他控制算法減小開關器件導通的占空比，使繞組電流減小并接近指令電流；當繞組電流小于指令電流時，再增大開關器件導通的占空比，使繞組電流又開始增長并接近指令電流，以后不斷重復這一過程，形成電壓斬波控制，直至關斷角 位置功率開關器件完全關斷，電流衰of?減至 0，SRM 換向，對換向后的繞組仍采用電壓斬波控制。 開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)總體方案的確定根據(jù)開關磁阻電機調(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)器輸出的信號和換相邏輯信號進行邏輯“與后輸出的信號來控制功率變換器的開通與關斷，通過調(diào)壓開關對電機各相繞組供電電源平均值的控制來實現(xiàn)調(diào)速。換相邏輯是通過電機轉(zhuǎn)角和給定開通角、關斷角來決定的。14圖 25 SRD 控制系統(tǒng)原理圖 綜上所述,本設計采用電流調(diào)節(jié)和控制方式相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法，在低速時采用電流斬波控制，此時電流閉環(huán)；高速時采用角度位置控制即單脈沖控制，此時電流開環(huán)。15第三章 小功率開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件設計本課題設計的 4kW 開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計主要分為兩大部分：即功率變換器電路的設計和驅(qū)動系統(tǒng)設計。功率變化器電路設計包括功率變換器主電路設計及功率元件定額選型、功率變換器主開關器件驅(qū)動電路設計及緩沖電路設計。驅(qū)動系統(tǒng)設計以 ATMEL 公司的單片機 AT89C51 和電機智能控制模塊 MCSRD9800 為控制核心，包括控制核心單片機 AT89C51 的資源分配和外圍電路設計、電機智能控制模塊MCSRD9800 的使用、位置檢測環(huán)節(jié)的設計、電流檢測環(huán)節(jié)的設計、D ／A 轉(zhuǎn)換電路設計、驅(qū)動控制信號的邏輯綜合以及單片機最小電路設計。本章將按以上部分詳細介紹4kW 開關磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計。 樣機的參數(shù) 本設計使用的樣機是一臺三相 12／8 極開關磁阻電動機，電動機的主要參數(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)的設計都是以這些參數(shù)為基礎的。 功率變換器的結(jié)構(gòu)設計 主電路拓撲結(jié)構(gòu)介紹SRD的功率變換器電路結(jié)構(gòu)有多種，不同結(jié)構(gòu)電路的主開關器件數(shù)量與定額、能量回饋方式及適用場合均不同。功率變換器常見的主電路形式如下：(1) 雙開關型主電路如圖31所示，雙開關型功率變換器每相有兩只主開關和兩只續(xù)流二極管。當兩只主開關VT1 和 VT2同時導通時，電源Us向電機相繞組供電；當VT1和VT2同時關斷時，相電流沿圖中箭頭方向經(jīng)續(xù)流二極管VD1和VD2續(xù)流，將電機的磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現(xiàn)強迫換相。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點：一是開關器件電壓容量要求比較低，特別適合于高壓和大容量場合；二是各相繞組電流可以獨立控制，且控制簡單。缺點是開關器件數(shù)量較多。16圖31 雙開關型主電路圖32 雙繞組型主電路(2) 雙繞組型主電路圖32為雙繞組型主電路，每相均有主、副兩個繞組。主開關VT1導通時，電源對主繞組供電，形成圖示實線箭頭方向的電流；當VT1關斷時，靠磁耦合將主繞組的電流轉(zhuǎn)移到副繞組，通過二極管VD1續(xù)流（續(xù)流電流方向為圖中虛線箭頭方向），向電源回饋電能，實現(xiàn)強迫換相。為了保證主、副繞組之間緊密耦合，通常主、副繞組是雙線并繞而成，同名端反接，其匝數(shù)比為1:1。雙繞組型功率變換器電路簡單，每相只有一個開關管，開關元件少，這是它最大的優(yōu)點。但是主開關除了要承受電源電壓外，還要承受副繞組（續(xù)流時）的互感電動勢。如設主、副繞組的匝數(shù)比為1:1，并認為它們完全耦合，則主開關的額定工作電壓應為2Us 。實際上，主、副繞組之間不可能完全耦合，致使在VT1關斷瞬間，因漏磁及17漏感作用，其上會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。另外，由于采用主、副兩個繞組，電機槽及銅線利用率低，銅耗增加，體積增大。這種主電路可適用于任意相數(shù)的開關磁阻電機，尤其適宜于低壓直流電源（如蓄電池）供電的場合。(3) 電容分壓型主電路電容分壓型主電路也叫電容裂相型主電路或雙電源型主電路，是四相SRM廣泛采用的一種功率變換器電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖33所示。這種結(jié)構(gòu)的功率變換器每相只需要一個功率開關器件和一個續(xù)流二極管，各相的主開關器件和續(xù)流二極管依次上下交替排布；電源Us被兩個大電容C1和C2分壓，得到中點電位U0≈1/2Us （通常C1=C2），四相繞組的一端共同接至電源的中點。在這種電路中，SRM采用單相通電方式，當上橋臂的開關管VT1導通時，A相繞組從電容C1 吸收電能；當VT1斷開時，則VD1導通，A 相繞組的剩余能量回饋給電容C2。而當下橋臂VT2導通時，繞組B從C2吸收電能；當VT2斷開時，B相繞組的剩余能量經(jīng)VD2回饋給C1。因此，為了保證上、下兩個電容的工作電壓對稱，該電路僅適用于偶數(shù)相SRM。由于采用電容分壓，加到電機繞組兩端的電源電壓為1/2Us，電源電壓的利用率降低。在同等功率情況下，主開關器件的工作電流為雙開關型 圖33 電容分壓型主電路電路中功率器件的兩倍。而每個主開關器件和續(xù)流二極管的額定工作電壓為Us+△U（△U是換相引起的瞬時電壓）。電容分壓型功率變換器電路有以下特點：①每相只用一個主開關，功率器件少，結(jié)構(gòu)最簡單；②電機的相數(shù)必須是偶數(shù)，上下兩路負載必須均衡；③在實際工作時，由于分壓電容不可能很大，中點電位是波動的。在低速時波動尤為明顯，甚至可能導致電機不能正常工作；18④需要體積大、成本高的高壓大電容；⑤電源電壓的利用率低，適用于電源電壓較高的場合。(4) H 橋型主電路如圖34所示，H橋型主電路比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個串聯(lián)的分壓電容，換相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間上、下橋臂必須各有一相導通。本電路特有的優(yōu)點是可以實現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。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。實際上，四相電容分壓型主電路采用兩相導通方式時，其工作情況和H橋型主電路是相同的。圖34 H橋型主電路圖35 三相公共開關型主電路(5) 公共開關型主電路圖35所示的電路是公共開關型功率變換器主電路，除每相各自有一個主開關外，各相還有一個公共開關VT。公共開關對供電相實施斬波控制，當VT和VT1同時導通時，電源向A相繞組供電；當 VT1導通、VT 關斷時，A 相電流經(jīng)VD續(xù)流；當VT和VT1都關斷時，電源通過VD和VD1反加于A相繞組兩端，實現(xiàn)強迫續(xù)流換相；若 VT導通，VT119關斷時，相電流將經(jīng)VD1續(xù)流，因A相繞組兩端不存在與電源供電電壓反極性的換相電壓，不利于實現(xiàn)強迫換相。具有公共開關器件的功率變換器電路，有一只公共開關管在任一相導通時均開通，一只公共續(xù)流二極管在任一相續(xù)流時均參與。該電路所需開關器件和二極管數(shù)量較雙開關型電路大大減少，可適于相數(shù)較多的場合，其造價明顯降低。但相數(shù)太多，公共開關管的電流定額和功率定額都大大增加，若其損壞，將導致各相同時失控。根據(jù)上述的功率變換器主電路的選用依據(jù)和原則，并針對本文所研究的三相(12/8)開關磁阻電機，系統(tǒng)功率變換器采用三相公共開關型主電路。 功率電路的設計本設計系統(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)壓濾波電容給開關磁阻電機各相繞組供電；功率變換器的主開關器件 VT、 VTVTVT3 選用的是功率 MOSFET；各相的續(xù)流二極管VD、VDVDVD3 均采用快恢復二極管。 圖36 三相公共開關型主電路開關磁阻電機功率變換器主開關器件的選擇與電機的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關；另外還與主開關器件本身的開關速度、觸發(fā)難易、開關損耗、抗沖擊性、耐用性、峰值電流定額和有效值電流定額的比值大小及市場普及性等有關。本系統(tǒng)的三相公共開關型功率變換器主電路中主開關元器件選擇功率 MOSFET。一般開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)在寬廣的運行區(qū)域其相電流峰值與有效值之比的變化范圍為2：l ～3：1，功率 MOSFET 的額定峰值電流與額定有效值電流的比值高，一般為4：l ，并且價格比較便宜，所以特別適合應用在小功率的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)中。 本文設計的 4kW 開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的額定工作電壓為 513V，系統(tǒng)電源是由三相交流 380V 經(jīng)過整流，再經(jīng)過并聯(lián)的大電容穩(wěn)壓濾波得到的直流電源。整流輸出的直流電壓峰值為：20 （31）V537802UM???線其平均值為： （32）?在本設計中選擇的拓撲結(jié)構(gòu)的電路中，主開關管功率 MOSFET 承受的電壓最大值等于直流電源電壓的最大值，考慮到 2 倍的電壓裕量，則主開關器件的耐壓定額為： (33)rsmax=537=104UV?在該功率變換器主電路中，主開關器件導通時，續(xù)流二極管在外電源作用下反偏截止，所以續(xù)流二極管最小反向峰值電壓額定值與主開關器件的電壓額定值相同。應該指出，功率變換器中所用續(xù)流二極管必須正向?qū)ê头聪蚪刂咕哂锌旎謴吞匦?。正向恢復特性能保證主開關器件斷開時，相電流迅速從主開關器件轉(zhuǎn)換到二極管續(xù)流；而反向快恢復特性則能保證二極管以足夠快的速度從導通變?yōu)榻刂?，以免轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子電氣位置周期，主開關器件復又導通而順勢造成電源短路。特別是開關磁阻電機高速運行和以較高斬波頻率進行電流斬波控制方式運行時，允許續(xù)流二極管反向恢復時間較短，反向快恢復特性尤為重要。為此，均選用快恢復二極管作為續(xù)流二極管。 開關磁阻電機功率變換器中主開關器件的電流定額有兩種：一是體現(xiàn)電流脈沖作用的定額，即峰值電流定額；二是體現(xiàn)電流連續(xù)作用的定額，即有效值電流定額。采用功率 MOSFET 作為主開關器件，有效值電流定額將是決定功率變換器容量的主要參數(shù)。對于二極管而言，因其能承受較大的沖擊電流，一般亦以有效值電流定額作為選型依據(jù)。取開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的效率為 ％，則額定工況時開關磁阻電機繞組電流的有效值為： (34)/40/513*86.%9NIPUWVA???因為開關磁阻電機啟動能力強，盡管啟動轉(zhuǎn)矩可大大超過額定轉(zhuǎn)矩，但啟動電流卻可做到小于額定電流，一般起動電流為 15％額定電流時即可獲得起動轉(zhuǎn)矩為 100％的額定轉(zhuǎn)矩，因此在確定主開關器件電流定額時，只要考慮到額定運行時的一定過載倍數(shù)( 一般選為 2)即可，則主開關器件的有效值電流定額為： (35)rms2918SNIA???因續(xù)流二極管承受沖擊電流的能力強，其電流定額一般可取與 相同的數(shù)值。rmsSI根據(jù)估算得到的各元器件電壓、電流定額，考慮到一定的安全系數(shù)以及 4kW 開關磁阻電機的參數(shù)要求，同時考慮到市場情況，本設計系統(tǒng)中選用的主要器件具體選型如下表 31 所示。21表 31 主要器件表主要功能 器件名稱 型號 額定電壓 額定電流主開關管 功率 MOSFET APT20GF120BR 1200V 32A續(xù)流二極管 快速恢復二極管 MUR30120 1200V 30A整流橋 三相不控全波整流橋 春華電子 1600V