【導(dǎo)讀】合國家現(xiàn)行標(biāo)準。3．按學(xué)院指定的地點進行設(shè)計，嚴格按照進度計劃完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。安裝、調(diào)試帶來不便，降低了系統(tǒng)可靠性，且由于傳感器分辨率的限制，使得SR電機調(diào)速系統(tǒng)高速性能下降。這些問題的存在限制了SR電機的應(yīng)。因此，探索不采用位置傳感器而利用電機的電氣參數(shù)信息簡潔而。以及降低成本有重要意義，可推動SR電機的應(yīng)用向更多領(lǐng)域發(fā)展。本文分析了開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)和運行原理，通過分析繞組電壓方程，建立SR電機的某些電氣參數(shù)與轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)關(guān)系，并通過。相電流梯度的SR電機間接位置檢測方案的系統(tǒng)仿真。

　　

【正文】 、大功率以及開關(guān)磁阻電動機相數(shù)較少的場合下。功率變換電路采用最常用的主電路形式 —— 三相不對稱半橋主電路，因為結(jié)構(gòu)不存在橋臂直通的現(xiàn)象而且相繞組之間完全獨立，提高了系統(tǒng)的可靠性能 ， 如圖 33，以 A 相為例，開關(guān)方式分為兩種 ：一種為能量回饋式電流斬波，另一種方式為能量非回饋式電流斬波方式，在斬波段，采用能量非回饋式電流斬波方式電機噪聲可適當(dāng)降低。因此本課題采用能量非回饋式電流斬波的控制方式。 第 3 章 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)（ SRD） 21 VT1VT2VD1VD2aVT1VT2VD1VD2aVT1VT2VD1VD2a 模式 1 模式 0 模式 1 圖 33 開關(guān)工作方式 功率主電路拓撲結(jié)構(gòu)選用的依據(jù)和原則 (l)適用的相數(shù) 上面介紹的 六 種常用的功率變換器主電路中，電容分壓式只適用于相數(shù)是偶數(shù)的開關(guān)磁阻電機， H 橋式僅適用于相數(shù)是 4k(k=1, 3 , 4)的開關(guān)磁阻電機，其 它 四 種主電路均適用一于任意相數(shù)的開關(guān)磁阻電機。 (2)電源有效利用率 反映功率變換器主電路電源有效利用率的參數(shù)有兩個 : ① Us/Um：即功率變換器主電路的的直流電源供電電壓 Us 與相繞組最大供電電壓 Um之比。該參數(shù)最好為 1，這樣在同容量條件下，開關(guān)磁阻電機的相電流小、銅損耗小、系統(tǒng)效率高。 ② Uc/Um：即相繞組的換相電壓 Uc 與相繞組最大供電電壓 Um 之比。從主開關(guān)和續(xù)流二極管額定工作電壓的合理性和系統(tǒng)快速換相的要求聲發(fā)，該參數(shù)最好也取為 1。 (3)相控獨立性 欲保持多相開關(guān)磁阻電機每相均衡工作，使系統(tǒng)具有較強 的容錯能力，最好做到獨立控制各相的供電電壓和換相電壓，使之不受其它相的影響。上面給出的七種功率變換器主電路中，唯有雙開關(guān)式和雙繞組式功率變換器可做到各相獨立控制，且控制簡便。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 22 檢測系統(tǒng) 檢側(cè)系統(tǒng)包括電流檢測和位置檢測兩部分。 電流檢測 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)需要進行相電流的檢測，電流檢測是開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)電流斬波控制方式的需要，也是實現(xiàn)過流保護的需要。開關(guān)磁阻電動機的相電流具有單向、脈動以及波形隨運行方式、運行條件不同而發(fā)生很大變化的特點。因此，開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)電流檢測器需要 具有以下的性能特點： (a)快速性能好，從電流檢測到控制主開關(guān)器 件 動作的延時應(yīng)該盡量?。? (b)被檢測的主電路 (強電部分 )與控制電路 (弱電部分 )之間應(yīng)該有良好的隔離，并且具有一定的抗干擾能力； (c)靈敏度高，檢測頻帶范圍寬，可測含有多次諧波成分的直流電流； (d)單向電流檢測，在一定的工作范圍內(nèi)具有良好的線性度。 位置檢測 位置檢測是開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)自同步運行的前提條件，對于系統(tǒng)的位置檢測環(huán)節(jié)，目前主要分為兩類，即直接位置檢測和間接位置檢測。直接位置檢測一般是指使用光電式、磁敏式位置 傳感器以及接近開關(guān)等器件進行位置檢測；而間接位置檢測是指無位置傳感器檢測方法，比如定子繞組瞬態(tài)電感信息的波形檢測法、基于狀態(tài)觀測器的無位置傳感器檢測法以及 相電流梯度法 等技術(shù)。 開關(guān)磁阻電機的控制方式 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的控制參數(shù)主要有相電流、主電路電壓、開通角以及關(guān)斷角。常用的控制方式有電流斬波控制 (CCC)方式、角度位置控制 (APC)方式，以及脈寬調(diào)制控制 (PWM)方式。 第 3 章 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)（ SRD） 23 電流斬波 (CCC) 控制 方式 當(dāng) SR 電機在基速 b? 以下運行時，因為 轉(zhuǎn)速較慢，旋轉(zhuǎn)電動勢較小，所以繞組電流上升率較大。采用電流斬波控制 (CCC)方式可以避免過大的電流和磁鏈峰值，獲得恒轉(zhuǎn)矩機械特性。電流斬波控制通過固定開通角 θon、關(guān)斷角 θoff，多次導(dǎo)通關(guān)斷主開關(guān)器件，將電流限制在給定范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)電機恒轉(zhuǎn)矩控制。 可以采用兩種方式實現(xiàn)電流斬波控制 : 第一種方式：Δ I 型，首先給定電流的上下限，在導(dǎo)通區(qū)間 [θon， θoff]內(nèi)，當(dāng)實際相電流上升到電流上限時，關(guān)斷該相主開關(guān)器件，繞組電流在一 Us 作用下經(jīng)續(xù)流二極管和外加電源續(xù)流，電流迅速下降；當(dāng)相電流下降到電流下限時，重新開 通該相主開關(guān)器件，因為外加電源電壓 Us 的作用，電流重新迅速上升，當(dāng)達到上限后又再次下降，如此反復(fù)斬波，一直到轉(zhuǎn)子位置角在導(dǎo)通區(qū)間 [θon， θoff]以外。Δ I 型 CCC 典型波形圖為圖 3－ 4所示。 第二種方式：Δ T 型，首先給定電流上限和主開關(guān)管的關(guān)斷時間Δ t。在導(dǎo)通區(qū)間 [θon， θoff]內(nèi)，當(dāng)實際相電流上升到電流上限時，關(guān)斷該相主開關(guān)器件，從而電流下降；主開關(guān)器件經(jīng)Δ T 延時后重新開通，電流重新上升，當(dāng)達到電流上限后主開關(guān)管再次關(guān)斷，如此反復(fù)斬波，一直到轉(zhuǎn)子位置角在導(dǎo)通區(qū)間 [θon， θoff]以外 。Δ T 型 CCC 典型波形圖為圖 3－ 4 所示。 θ on θ offθθ offθ onI maxI maxI minI ITθ Δ I 型 CCC 典型波形 Δ T 型 CCC 典型波形 圖 3－ 4 CCC 典型波形 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 24 角度位置 (APC) 控制 方式 角度位置控制 (APC)方式就是通過控制主開關(guān)器件的開通角 θon和關(guān)斷角 θoff 改變主開關(guān)器件的觸發(fā)導(dǎo)通時間，調(diào)節(jié)相電流波形，從而控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。 APC 方式適用在 SR 電機高速運轉(zhuǎn)情況下。此時轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動勢較大，電流不容易上升，調(diào)節(jié)開關(guān)角 θon， θoff就能調(diào)節(jié) SR 電機的轉(zhuǎn)矩。將角度量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)速度的時間可控量是 APC 的關(guān)鍵所在，但是由于有兩個參量可以調(diào)節(jié)，這使控制變得很復(fù)雜。 APC 一般采用優(yōu)化固定一個變量，調(diào)節(jié)另一個變量的方法來實現(xiàn)。如果關(guān)斷角 θoff 過小，相電流就會過早截止，從而出力減小；如果關(guān)斷角 θoff 過大，續(xù)流進入電感下降區(qū)，就會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，從而總的出力減小。圖 35 為 APC 方式下典型相電流波形效果圖。 7080906050403020100708090605040302010070 80 906 05 04 03 02 01 00 70 80 906 05 04 03 02 01 00θ θLL （ a）調(diào)節(jié) θon ，固定 θoff （ b）固定 θon，調(diào)節(jié) θoff 圖 35 APC 方式下 SR 電機相電流波形 因此，按照最大出力為準則，可以將關(guān)斷角 θoff 固定在近似的最大出力點處，只調(diào)節(jié)開通角 θon。雖然該 方式簡單易行，但是為了充分發(fā)揮 SR電機控制靈活的優(yōu)勢，在實際中還必須考慮轉(zhuǎn)矩脈動、效率等各項目標(biāo)，提出綜合目標(biāo)并進行優(yōu)化。 第 3 章 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)（ SRD） 25 脈寬調(diào)制 (PWM) 控制 方式 實質(zhì)上，脈寬調(diào)制 (PWM)控制方式是通過調(diào)節(jié)繞組兩端的勵磁電壓來控制電磁轉(zhuǎn)矩的。具體方法是固定開通角 θon和關(guān)斷角 θoff，用 PWM 信號調(diào)制主開關(guān)器件的相控信號，通過調(diào)節(jié) PWM 信號的占空比，可以調(diào)節(jié)勵磁電壓加在相繞組上的的有效時間寬度，改變相電壓的有效值，從而改變輸出轉(zhuǎn)矩。 PWM 控制 方式在基速以上或基速以下的范圍都可以應(yīng)用，且可控性較好，適用 于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^對轉(zhuǎn)速的給定值和實際轉(zhuǎn)速的反饋值之差進行 PI 運算，調(diào)節(jié) PWM 信號占空比，以達到轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)的目的。 PWM 控制 方式也存在缺點，那就是導(dǎo)通角度始終固定，功率元件開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，十分影響系統(tǒng)效率。 本章小結(jié) 本章主要介紹了開關(guān)磁阻電機的調(diào)速系統(tǒng) ，以及系統(tǒng)的選擇；還有電路的一些檢測方法：如電流的檢測，位置的的檢測方法有直接檢測和間接檢測。而間接檢測技術(shù)中相電流梯度法正是本文所研究的重點內(nèi)容。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 26 第 四 章 相電流梯度法原理與系統(tǒng)仿真 相電流梯度法的基本原理 圖 41 中， ia為 1 臺開關(guān)磁阻電機單波運行狀態(tài)時的 a 相電流波形。其中θu 為定、轉(zhuǎn)子極不對齊位置， θ0為定、轉(zhuǎn)子極開始重疊位置， θa為定、轉(zhuǎn)子極對齊位置。需要說明的是單波運行時， ia在經(jīng)過 θ0后，可能會繼續(xù)上升，或者保持一定的值，也可能下降。為了方便敘述，本文先以 ia下降的這種情況進行分析，另兩種情況需要進行定占空比 PWM 電壓斬波控制，使 ia在經(jīng)過 θ0后下降，后面會進一步詳細分析。 圖 41 相電流梯度法原理圖 開關(guān)磁阻電機一相的電壓方程為： aaaaaaaaaaaa iLdtdiLiLiRdtdiRu ??? ??????????? ??????? （ 41） 從上式可得相電流梯度為： aaaaaaaaaLiLiLiRudtdi???????? ?? （ 42） 第 4 章 相電流梯度法原理與系統(tǒng)仿真 27 在 La最小電感區(qū)域， La可以近似看做大小不變， ???aL 近似等于 0。右邊分子中的反電勢項aaiL????近似等于 0，相電流梯度 0?dtdi ，表達式如（ 43）所示： aaaaaaaLiLiRudtdi????? （ 43） 這時 Ia上升的比較快。當(dāng)電機的轉(zhuǎn)子極與定子極開始重疊，電感 La進入上升區(qū)，反電勢aaiL????不能忽略，相電流梯度 減小直至 dtdi 小于零。采用過零檢測電路在 dtdi 小于 0 時產(chǎn)生一個升沿信號，這樣利用從最小電感區(qū)域進入電感上升區(qū)域時產(chǎn)生的 PI 信號的上升沿可以得到位號。 為了使電流梯度無位置檢測置檢測信方案能應(yīng)用低速斬波運行方式，可采用改變電壓占空比降低電壓，使電機運行在近似于單波運行狀態(tài)。如圖 4－ 2 所示。然后將相電流檢測信號 i。通過低通濾波器，濾掉相電流中的高頻斬波信號，得到電流檢測信號 ia’最后按照上面的單波運行時的處理方法得到位置檢則信號。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45iaθ /176。 圖 42 定占空比 PWM 電壓控制下的相電流及濾波后的波形 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 28 這種電流梯度法的優(yōu)點是不需要精 確的數(shù)學(xué)模型，可以四象限寬速度范圍下運行，在中高速在單波運行時，不會降低電機的性能，可以通過調(diào)整電壓占空比、開通角和關(guān)斷角實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，不需要在電機內(nèi)部安裝額外硬件，位置檢測電路硬簡單，容易實現(xiàn)。缺點是低速和小轉(zhuǎn)矩運行時電機的性能受到影響，開關(guān)損耗大，效率比較低，不能很快的對相電流進行調(diào)節(jié)，動態(tài)響應(yīng)慢。 本文 采用 的是 分段控制電流梯度法的無位置傳感器檢測方案。分段電流控制梯度法和上述普通的單模式電流梯度法在高速單波運行時并沒有區(qū)別，區(qū)別在低速和小轉(zhuǎn)矩運行需要電流斬波運行時，普通的單模式電流梯度法采用定占空 比電壓 PWM 控制，使電機運行在一種類似于單波運行的狀態(tài)，而分段電流控制法只是在轉(zhuǎn)子極與定子極開始重疊的位置附近采用定占空比電壓高頻斬波模式。在電流上升建立階段采用和傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機控制方式一樣的全電壓導(dǎo)通，達到電流指令值或者運行到接近轉(zhuǎn)子極與定子極開始重疊的位置時，采用定占空比電壓 PWM 斬波。等效電壓為： DUdUa ? （ 44） 式中， Ud 為母線電壓， D為 PWM 占空比。 D大小根據(jù)給定電流和角度大小計算選取，使得等效電壓 Ua 小于電感上升 去的反電勢aa iL????，使得電流ia經(jīng)過 θ0 開始下降以得到位置檢測信號 P1。檢測到 P1 后切換到傳統(tǒng)的電流滯環(huán)斬波方式，最后在關(guān)斷角關(guān)斷。這樣電機在大部分時間采用了傳統(tǒng)的電流控制方案，只是在轉(zhuǎn)子極與定子極開始重疊的位置附近采用定占空比電壓高頻斬波模式，其余區(qū)域保留了傳統(tǒng)滯環(huán)電流斬波控制的優(yōu)點，明顯減小了采用定占空比電壓高頻斬波對電機性能的影響，并減小了開關(guān)損耗，提高了電機的效率。按這種控制方法得到的 i。如圖 43 所示。 第 4 章 相電流梯度法原理與系統(tǒng)仿真 29 θ 0 θL ai ai aL a 圖 43 相 電流梯度法 原理 波形 圖 這種間接位置檢測方法不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測，需要一個起動 過程。轉(zhuǎn)子初始位置的檢測和起動運行分別采用無反轉(zhuǎn)起動脈沖定位法和空閑相電流脈沖檢測法。 仿真及結(jié)果分析 在做無