【文章內容簡介】 已有了系列化產品，其多種功率的 SRD 在不同的工業(yè)部門和家用電器中得到應用。 (1)用于龍門刨床 :工藝上需要 電動機能頻繁起、停及正反轉，開關磁阻調速電動機能較好的實現(xiàn)。如機械工業(yè)中龍門刨床、銑床、冶金行業(yè)的可逆軋機、飛鋸、飛剪、電弧爐的電極升降等系統(tǒng)。 (2)用于紡織“探邊”設備 :經過紡織行業(yè)的“探邊”與“對中”設備的實踐使用，取得了較好的效果。對作為“探邊”設備的動力，其反應速度小于 ，即電動機運轉時，接到指令后，能在 內實現(xiàn)反轉，并要求在 24 小時內連續(xù)頻繁運轉，同時要求在較寬范圍內進行無級調速。 (3)用于家用電器 :將克服當今洗衣機和空調機、電冰箱的缺陷，成為更完善新一代產品。SRD 具有優(yōu)良的調速 性能，有更高的電能機械能轉換效率，特別是在中低速時，優(yōu)勢尤為突出。從而能有效的克服了變頻調速系統(tǒng)的弊端，使節(jié)能更為有效。 (4)在電動車驅動上的應用 :由于燃油汽車廢氣嚴重污染環(huán)境，故發(fā)展和完善無污染的電動車是社會的必然。而發(fā)展電動車除了隨車的蓄電池要有高能量之外，再則就是要有性能和效率很優(yōu)越的電動機調速系統(tǒng)作動力。而 SRD 高可靠性、寬廣的調速范圍，卓越的起、制動性能，它是各類電動車最理想的動力之一 [19]。 本課題研究的主要內容如下 : (1)研究 SR 電機的結構、工作原理和數(shù)學模型，分 析了 SR 電機主要的控制方式，并對這些控制方式進行詳細的研究。 (2)研究 SRD 的特點和組成部分，并分別對它的各個組成部分功率變換器、控制器和信號反饋系統(tǒng)作了詳細的研究 。設計系統(tǒng)的主回路。 (3)了解采用 TMS320F2407 設計控制器的硬件電路，結構和功能，掌握基于TMS320F2407 的硬件和軟件的設計方法，在對 SRD 深入研究的基礎上，設計了 SRD 的硬件系統(tǒng)。 （ 4）應用 matlab 在 SR 電動機進行電機的性能仿真。 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 5 2 開關磁阻電機的原理 開關磁阻電機的基本結構及工作原理 SR 電機是一種 機電能量轉換裝置。根據(jù)可逆原理， SR 電機既可以將電能轉換為機械能即電動運行，也可將機械能轉換為電能即發(fā)電運行，但內部的能量轉換關系不能簡單看成是 SR 電機的逆過程。 電機的基本結構 開關磁阻電機驅動系統(tǒng) (SRD)由開關磁阻電機、功率變換器、控制器、檢測器和 PLC操作臺五個部分組成，其中開關磁阻電機是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分。它是一個雙凸極可變磁阻電機，其定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子上既無繞組和永磁體，也無換向器和集電環(huán)。定子極上繞有集中繞組，徑向相對稱的兩組繞組串聯(lián)構成一個兩極磁極，稱為 “一相”。 SRM 可以設計成多種不同相數(shù)結構，單相、雙相、三相、四相和多相等，且定、轉子的極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)越多，性能越好，但是同時成本也隨之增加，以三相（ 6/4）結構開關磁阻電機的如圖 所示 [8,9]。 圖 三相（ 6/4）開關磁阻電機結構 開關磁阻電機的工作原理 開關磁阻電機的運行原理遵循“磁阻最小原理” —— 磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的轉子鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。因此，只要依一定次序給定子的相繞組通電，因磁場扭曲而產 生磁阻性質的電磁轉矩，電動機轉子就會連續(xù)轉動起來。在圖 中，若以圖示定、轉子所處的相對位置作為起始位置，則依次給 B? C? A 相繞組通電，轉子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉；反之，若依次給 C? B? A 相通電，則電動機即會沿順時針方向轉動。 開關磁阻電機的數(shù)學模型 開關磁阻電機是一個多變量，嚴重非線性的模型，它的雙凸極特殊 結構決定了其電感及電感變化率隨轉子位置θ而變化，在定子極與轉子極對齊位置電感值最大，在定子槽與轉子極對齊位置電感值最小，在這兩個位置之間相電感連續(xù)變化。建立開關磁阻電機數(shù)學模型，通常有以下三種方法：線性模型、準線性模型 (分段線性模型 )和非線性模型。線性模型忽略了飽和及邊緣效應，認為繞組電感與電流無關。準線性模型將磁化曲線分段線性化，近似考慮定轉子齒極重疊時的飽和。以上兩種模型，電感參數(shù)有解析表達式，用于求解電機性能時，電流和轉矩有解析解，一般用于定性分析 [3]。 章濤：開關磁阻電機調速系統(tǒng)設計 6 繞組電感分段線性解析式 事實上，由 于電機的雙凸極結構和磁路的飽和、渦流和磁滯效應所產生的非線性，加上電機運行期間的開關性和可控性，在電機運行期間繞組電感不是常數(shù)，而是電流和轉子位置角的函數(shù)。開關磁阻電機定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉子位置不同而變化的規(guī)律是很復雜的，難以用簡單的解析表達式來表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學模型。如果不考慮電動機磁路飽和的影響，忽略相繞組的電流對電感的影響，且不考慮磁場邊緣擴散效應，這個時候相繞組的電感隨轉子位置角的周期性變化規(guī)律可用圖 說明。 θ u 圖 定轉子相對位置展開圖及相繞組電感曲線 ? ? ? ?? ?????????????4m a xm a xm in2m in?????KLLLKLL 54433221 ????????????＜＜＜????? （ 2－ 1） 其中： ? ?? ? ? ? sLLLLK ??? m i nm a x23m i nm a x ????? （ 2－ 2） 圖中橫坐標為轉子位置角，它的基準點即坐標原點 θ =0 的位置，對應于定子凸極中心與轉子凹槽中心重合的位置，這時相電感為最小值 Lmin。在 θ 1和 θ 2 (θ 2為轉子磁極的前沿與定子磁極的后沿相對應的位置 )區(qū)域內，定轉子磁極不相重疊，電感保持最小值 Lmin不變，這是因為開關磁阻電機的轉子槽寬通常大于定子極弧，所以當定子凸極對著轉子槽時，便有一段定子極與轉子槽之間的磁阻恒為最大并不隨轉子位置變化的最小電感常數(shù)區(qū)；轉子轉過 θ 2 后，相電感便開始線性地上升直到 θ 3 為止， θ 3 系轉子磁極的前沿與定子磁極的前沿重疊處，這時定轉子磁極全部重疊，相電 感變?yōu)樽畲笾?Lmax；基于電機綜合性能的考慮，轉子極弧 β r 通常要求大于定子極弧 β s，因此在 θ 3 和 θ 4 (θ 4 為轉子磁極的后沿與定子磁極的后沿相遇的位置 )區(qū)域內，定轉子磁極保持全部重疊，相應的定轉子凸極間磁阻恒為最小值，相電感保持在最大值 Lmax；從 θ 4相電感開始線性地下降，直到 θ5 處降為 Lmin， θ 5 、 θ 1均為轉子磁極后沿與定子磁極前沿重合處。如此周而復始，往復循環(huán) [14]。 SRM 的相電壓方程 開關磁阻電機的相電壓方程如下： dtdLidtdiLRiU )()( ?? ??? （ 2－ 3） 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 7 磁鏈方程 ??? dUd rs?? （ 2－ 4） 由初始條件，可得通電期間磁鏈解析式為： ? ? ? ?onrsU ????? ?? （ 2－ 5） 關斷期間： ? ? ? ??????? ??? onof frsU 2 （ 2－ 6） ? 隨轉子位置的變化曲線，如圖 所示。 圖 開關磁阻電機相繞組 磁鏈曲線 繞組電流的分析 當開關磁阻電機由恒壓直流電源 Us 供電時，在繞組電感僅是轉子位置的線性函數(shù)的假設和忽略繞組電阻影響的情況下 : dtdUs ??? （ 2－ 7） 也即： ?? ????? LidtdiLUS （ 2－ 8） （ 1）在θ 1 到θ 2 區(qū)段， L=Lmin， i(θ on)=0(θ on 為 開始導通角 )得： ???? onSLUi ???m in)( （ 2－ 9） 上式表明電流在最小電感恒值區(qū)域內是直線上升的，這是因為該區(qū)域內電感恒為最小值，且無旋轉電動勢，因此開關磁阻電動機相電流可在該區(qū)域內迅速建立。 （ 2）在θ 2 到θ off 區(qū)段 (θ off 為關斷角 )，將上述結果作為該區(qū)段的初值條件，得 )]([ )()( 2m in ??? ??? ?? ?? KL Ui ons （ 2－ 10） （ 3）在 θ off 到θ 3 區(qū)段，繞組電流為 )]([ )2()( 2m in ??? ???? ?? ??? KLUi onof fs （ 2－ 11） （ 4）在θ 3 到θ 4 區(qū)段，繞組電流為 m a x)2()( LUi ono f fs ? ???? ??? （ 2－ 12） （ 5）在θ 4 到θ 5 區(qū)段，繞組電流為 章濤：開關磁阻電機調速系統(tǒng)設計 8 )]([ )2()( 4m in ??? ???? ??? ??KLUi onof fs （ 2－ 13） 顯然，當θ =2θ offθ on 時，相電流已衰減至零。 這些分段電流函數(shù)可以用下面的通式統(tǒng)一描述，即 )()( ??? fUi s? （ 2－ 14） 由上式可知，繞組電流與外加電源電壓 Us、角速度ω、開通角θ on、關斷角θ off、最大電感 Lmax、最小電感 Lmin、定子極弧β s 等有關。對結構一定的電動機，在θ on和θoff 不變的情況下，繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速的升高而減??；通過調整開關 角和關斷角也可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機的電磁轉矩增大。 [4] 轉矩轉速的控制 開關磁阻電機的轉矩公式為如下： ???? LiT 221 （ 2－ 15） 由此可以看出 : （ 1）電動機的電磁轉矩是由轉子轉動時氣隙磁導變化產生的，當磁導對轉角的變化率大時，轉矩也大。 （ 2）電磁轉矩的大小同繞組電流的平方成正比，即使考慮到電流增大后鐵芯飽和的影響，轉矩不再與電流平方成正比，但 仍隨電流的增大而增大，因此可以通過增大電流有效地增大轉矩，并且可以通過控制繞組電流得到恒轉矩輸出的特性。 （ 3）轉矩的方向與繞組電流的方向無關，只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會產生正向電磁轉矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會產生反向的電磁轉矩。 將繞組電流 分段函數(shù)（ 2－ 1）表示式 代入轉矩公式（ 2－ 15）中，得到： ??? ??? LfUT s )(21 222 （ 2－ 16） 由此進一步得到： TFUS＝? （ 2－ 17） ?? ??? LfF )(21 2 （ 2－ 18） 從式中可以看出，有兩種轉速控制方法： ?改變外施電壓； ?改變與開關角有關的參數(shù) F， F 是代表電動機結構參數(shù) (如繞組電感和定子極弧等 )和控制參數(shù) (如開通角、關斷角 )的函數(shù)。 若與開關角有關的參數(shù) F 不變，則ω正比于 Us，改變其外施電壓就會改變電 機的轉速。 SR電機基本控制方式 (1) CCC 的控制 電機低速運行時，反電勢較小，電流變化率大，為了避免電流上升過快，超過功率開關元件和電機允許的最大電流，可以采用斬波方式限制電流，電流斬波控制方式一般應用于電機低速區(qū)。 電流斬波控制的一般方法是保持開通角、關斷角不變，通過主開關器件的多次導通和關斷，進而將電流限制在某一值附近，借以控制轉矩。它又可分為兩種方式： 江西理工大學應用科學學院畢業(yè)設計 9 ?固定關斷時間電流上限控制 在 on??? 時，功率開關器件接通，繞組電流從零開始上升，當繞組 電流一旦超過電流的設定值（斬波電流上限值）時，開關管關斷，電流快速下降。經時間 t? 時再重新開通。如此循環(huán)，從而達到控制電流的目的。這種控制方式不足之處在于：雖然在一個控制周期內關斷時間恒定，但電流下降多少，則取決于繞組的