【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)研制一套開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。了解電機(jī)控制的發(fā)展方向。2月16日——3月6日：查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述、撰寫開題報(bào)告；3月7日——3月21日：畢業(yè)實(shí)習(xí)、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告；3月22日——5月29日：畢業(yè)設(shè)計(jì)；6月16日——6月20日：修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）；6月20日——6月26日：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。它的結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，而且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具。有較高的效率，系統(tǒng)可靠性高，是各國(guó)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)之一。SRD產(chǎn)品已廣泛或開始。范圍10W～5MW各種高低速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，呈現(xiàn)強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力。制器的運(yùn)行方式、起制動(dòng)方式及其控制器的軟硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題。本設(shè)計(jì)完成過(guò)程中，得到了謝衛(wèi)才老師的悉心指導(dǎo)，在此表示深深的謝意。

　　

【正文】 系統(tǒng)功率為 η N， 則軸上輸出功率 PN與功率變換器直流電源輸入電功率 PIN 滿足下式，即 PN=η N PIN （ 32） 若假設(shè)各相電流不重疊，且為占空比等于 1/m 的平頂波電流（幅值為 238。S），則有 Pin =(ER) US 238。S （ 33） 對(duì)于續(xù)流二極管，可按有效值電流來(lái)確定，即 ID=238。S/ m 。 因?yàn)?SRM 常工作在飽和狀態(tài)，故 ER 值通?？稍?～ 內(nèi)選取，η N可用同容量的 Y系列異步電動(dòng)機(jī)的效率值代入。 對(duì)于 11KWSRD 系統(tǒng)，有 U39。 S=257V， PN=11KW，η N=， ER 取 ，則主開關(guān) IGBT 的峰值定額為： 206。s≧39。SN NU)ER(? = ???? 續(xù)流二極管的有效值電流定額為： ID= 206。s/ m =41A, 整流橋電流定額： IVDZ= 206。s/3=27A 平波濾波電容器：負(fù)載等效電阻 Rf=? , 則 C1=C2= 106/（ 3Rf） =2200Uf 所選用的主電路元件如 表 31 名稱 型號(hào) 額定參數(shù) IGBT 模塊 1BMI200120 200A/1200V 快恢復(fù)續(xù)流二極管 DESI3010A 30A/1000V 濾波電容 2200uF/450V 三相整流橋 6RI75G120 75A/1200V 大功率 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路 近年來(lái)，大功率 IGBT 作為一代全控型電力電子器件，獲得了廣泛的應(yīng)用，然而，“燒管子”是一直困擾著人們的大問(wèn)題，使大家總覺(jué)得 IGBT 不好用。研究表明，要保證 IGBT工作的可靠性，驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路起著關(guān)鍵作用。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)要求 根據(jù) IGBT 的一些特性，它對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有一些特殊的要求： 1） IGBT 與 MOSFET 都是電壓驅(qū)動(dòng)，都有一個(gè) ～ 的閥值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗。因此 IGBT 對(duì)柵極電荷積聚很敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回 路，即驅(qū)動(dòng)電路與 IGBT 的連線要盡量短； 2） 小內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)電源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓 UCE有足夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量小； 3） 于 IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離； 4） IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單使用，最好自身有對(duì) IGBT 的保護(hù)電路，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。 驅(qū)動(dòng)電路 為了滿足 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路，任何一個(gè) IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路都必須具有三個(gè)主要功能：一是驅(qū)動(dòng)放大，二是隔離，三是保護(hù)。具體地說(shuō)，它必須提供適當(dāng)?shù)恼聪蝌?qū)動(dòng)電壓，有足 夠的瞬時(shí)功率或電流輸出能力，做到盡可能短的輸入信號(hào)傳輸延時(shí)，有很強(qiáng)的輸入輸出隔離能力，具有可靠的短路或過(guò)電流能力。 由于 IGBT 和 MOSFET 屬高速開關(guān)元件，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較高，因此，一般選用專用電路。本系統(tǒng)采用的 EXB841，為日本富士公司生產(chǎn)的專用混合 IC 驅(qū)動(dòng)器，除具有一般驅(qū)動(dòng)功能外，還具有短路保護(hù)功能，可用于 400A/600V或 300A/1200V以下 IGBT。 EXB841的功能框圖見(jiàn) 圖 35 功率變換器的保護(hù)電路 功率變換器是整個(gè) SRD系統(tǒng)的重要組成部分，它根據(jù)控制器的指令適時(shí)地導(dǎo)通和關(guān)斷元件，從而使相應(yīng)的電機(jī)繞組通斷電。所以，功率變換器的安全可靠運(yùn)行尤為重要。 RCD關(guān)斷保護(hù)電路 通常情況下，因?yàn)?IGBT 的安全工作區(qū)較寬，且控制峰值電流的能力比功率 MOSFET要強(qiáng)，所以在一些應(yīng)用中可不設(shè)吸收電路。改變門極串聯(lián)電阻可控制門極電流的大小，進(jìn)而可降低 IGBT 開通和關(guān)斷過(guò)程對(duì)吸收電路的要求。然而，由于 IGBT 的四層結(jié)構(gòu)，使其體內(nèi)存在存在寄生晶閘管，因此，在關(guān)斷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很高的 dUCE/dt，并在 C、 G 結(jié)的結(jié)電容中引起較 大的旁路位移電流。如果 dUCE/dt 超過(guò)一極限值，旁路位移電流將迫使寄生晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)致 IGBT 失控。為使系統(tǒng)工作更加可靠，采用 RCD關(guān)斷吸收電路。 圖 36 RCD 關(guān)斷吸收電路 圖 37 制動(dòng)放電電路 電壓保護(hù)電路 由于采用 380V 交流電源經(jīng)全橋整流供電，工作電壓可達(dá) 570V。但目前我國(guó)生產(chǎn)的大容值電解電容一般耐壓較低，極易損壞電容，所以有必要加設(shè)電壓保護(hù)電路。電壓保護(hù)電路要實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓，當(dāng)母線電壓超過(guò)過(guò)電壓保 護(hù)整定值（ 120%Udc ），或低于欠電壓保護(hù)整定值 (85%Udc)時(shí)，拉掉所有主開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使它們處于反向偏置狀態(tài)，并發(fā)出過(guò)、欠電壓信號(hào)。此外，還要實(shí)時(shí)檢測(cè)中點(diǎn)電位的波動(dòng)情況，若中點(diǎn)電位上升幅度較大，即上橋臂過(guò)壓時(shí)，就要關(guān)斷上橋臂的導(dǎo)通相，直到中點(diǎn)電位回落到允許范圍之內(nèi)，方能再次開通。此外，在功率變換器首次緩沖上電時(shí)，當(dāng)母線電壓達(dá)到一定值（ 70% Udc）時(shí)，應(yīng)接通接觸器，將上電電阻短路，使變換器正常工作。 電流保護(hù)電路 SR 電機(jī)的相電流是單向脈動(dòng)的，電流峰值與平均電流比值高，且 IGBT作為一種快速開關(guān)器件，為避免因過(guò)流而損壞器件，過(guò)電流保護(hù)的優(yōu)劣是變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。過(guò)電流保護(hù)可以通過(guò) LEM模塊檢測(cè)到的電流瞬時(shí)值，與開關(guān)管集電極電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)施快速保護(hù) 。 圖 38 制動(dòng)放電電路 當(dāng)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，向功率電路回饋的電能多于從功率電路的到的電能。此時(shí)若采用可逆直流電源供電（如蓄電池、直流發(fā)電機(jī)等），則多出的電能可流向電源。但若采用交流供電時(shí)，則因整流電路的不可逆特性，多余的電能只能儲(chǔ)存于濾波電容器中。若回饋的電能 較多，或電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)中，則電容器電壓會(huì)升高至超出允許范圍，其直接后果將使功率電路元件損壞。為了防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)采取必要的限壓措施。最理想的措施是使多余的電能返回交流電網(wǎng)，使多余的電能得到再利用，但由于其實(shí)現(xiàn)起來(lái)電路較復(fù)雜，在中小容量開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中一般使用下圖所示制動(dòng)放電電路。當(dāng)直流母線電壓高于限定值時(shí)，使功率開關(guān) S 導(dǎo)通，多余的電能泄放到電阻 RL中。 第 4 章 主要參數(shù)檢測(cè) 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種典型的機(jī)電一體化裝置，其控制器實(shí)際上是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。 所以，該系統(tǒng)首先要準(zhǔn)確檢測(cè)一些參數(shù)，然后綜合這些信息給出控制量，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式的控制。 SRD 的主要參數(shù)一般包括位置、速度和電流三種反饋信號(hào)。 轉(zhuǎn)子角位移檢測(cè) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)借助于位置檢測(cè)器的運(yùn)行于自同步狀態(tài)，位置閉環(huán)是 SRD 區(qū)別于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要標(biāo)志之一。位置檢測(cè)的目的是確定定、轉(zhuǎn)子間的相對(duì)位置，然后將位置信號(hào)反饋至邏輯控制電路，各相主開關(guān)主開關(guān)器件便進(jìn)行相應(yīng)的邏輯切換，以確定相應(yīng)相繞組的通斷。適用于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的角位移傳感器形式很多，其中最常用的是光電式。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置高， 但比較怕灰塵，需有密封良好的防塵罩。圖表示四相 8/6 極電機(jī)的光電耦合式位置傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖 41 它一般由光電碼盤和霍爾元件組成。光電碼盤有與轉(zhuǎn)子凸極、凹槽數(shù)等量的齒槽，且齒和槽均勻分布。在定子上，裝有兩個(gè)相距 15176。的槽形光耦 S S2 ，轉(zhuǎn)子上同軸安裝有光電碼盤。利用發(fā)光二極管和光電晶體管之間光量的耦合，通過(guò)有齒槽碼盤和電動(dòng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn)時(shí)的遮光和透光，使光敏元件產(chǎn)生導(dǎo)通和截止信號(hào)。 在一個(gè)轉(zhuǎn)子角周期內(nèi)， S S2產(chǎn)生兩個(gè)相位差為 15176。、占空比為 50%的方波信號(hào)，組成四種不同的狀態(tài)，即 01， 11， 10， 00，對(duì)應(yīng)單片機(jī)讀入的數(shù)字量為 00H、 02H、 08H、 0AH。 電流檢測(cè) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和限制繞組電流的幅值，常采用電流斬波控制，這就要求能準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)出相電流的大小。即使是高速運(yùn)行時(shí)的 APC方式，為防止系統(tǒng)過(guò)載或故障，也需實(shí)時(shí)檢測(cè)繞組電流?？梢?jiàn)。電流檢測(cè)是低速斬波控制和主電路過(guò)電流保護(hù)的需要。在 SRD 系統(tǒng)中繞組工作電流是單向脈動(dòng)波，沒(méi)有負(fù)電流存在，但電流波形隨著運(yùn)行方式的不同而變化較 大。因此要求電流傳感器快速性能好、靈敏度高、能進(jìn)行單向電流檢測(cè)，且在一定工作范圍內(nèi)具有良好的線形度。同時(shí)要求其有電氣隔離，以免主電路的高壓影響控制電路。 目前電流檢測(cè)的方法很多，如電阻采樣、直流電流互感器、霍爾元件采樣及磁敏電阻采樣等。在電阻采樣隔離中，輸出電壓與采樣電流是非線形的，且存在附加功耗，一般只能作為過(guò)電流信號(hào)檢測(cè)用。本系統(tǒng)采取的是磁場(chǎng)平衡式霍爾電流檢測(cè)器（ LEM 模塊）。這種電流傳感器互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，具有測(cè)量、反饋、保護(hù)三重功能。 LEM 模塊是通過(guò)磁場(chǎng)的補(bǔ)償，保持鐵心 磁通為零。被測(cè)電流 I1 通過(guò)一次側(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)，霍爾元件感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)放大器放大幅度后，產(chǎn)生一補(bǔ)償電流 IS。而IS 經(jīng)二次側(cè)后產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消 I1磁場(chǎng)，直至零為止。那么被測(cè)電流的大小，便由電流在測(cè)量電阻上的壓降間接地反映出，且有較大的線形度。 對(duì)四相 SR 電動(dòng)機(jī)，電流傳感器的實(shí)際應(yīng)用（安裝）方法有兩種， 1） 在每相串入一個(gè)電流傳感器 LEM。這種方案可準(zhǔn)確檢測(cè)到每相電流，用于斬波控制和過(guò)流保護(hù)的電流采樣信號(hào)比較準(zhǔn)確。但該方案要用到四個(gè)傳感器，無(wú)疑增加了成本，使系統(tǒng)復(fù)雜； 2)、在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，相鄰相的導(dǎo)通區(qū)可能產(chǎn)生重 疊，但交叉相的導(dǎo)通區(qū)間一般不會(huì)重疊。所以可以采取 A 和 C、 B 和 D 相分別共用一個(gè)電流傳感器，即在上下橋臂的母線上各裝一個(gè) LEM，這樣可對(duì)四相電流分別進(jìn)行斬波控制。但這種方案會(huì)導(dǎo)致當(dāng) C 相開通時(shí)， A 相仍在續(xù)流，造成電流傳感器不能真實(shí)地反映各相電流水平，特別是當(dāng)起動(dòng)區(qū)采用 30176。 導(dǎo)通時(shí)，兩相電流重疊嚴(yán)重，且此時(shí)斬波頻率及繞組電流都達(dá)到極值，稍有不慎會(huì)導(dǎo)致 IGBT 損壞。 轉(zhuǎn)速檢測(cè) SRD 作為一種性能優(yōu)良的變速傳動(dòng)系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能，必須依靠速度環(huán)節(jié)進(jìn)行速度閉環(huán)控制。所以要對(duì)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)速 度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將測(cè)量的轉(zhuǎn)速值與設(shè)定轉(zhuǎn)速相比較，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速差確定恰當(dāng)?shù)目刂撇呗浴? 8098 單片機(jī)有數(shù)條外部高速輸入線（ ～ ）， HSI 不僅能檢測(cè)某外部引腳上是否有事件發(fā)生，還能記錄發(fā)生的時(shí)刻及當(dāng)前引腳的狀態(tài)。高速輸入 HSI 只用定時(shí)器T1 作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)記錄外部事件發(fā)生的時(shí)刻。在 12MHZ 晶振下，在無(wú)需 CPU 干預(yù)的情況下，高速輸入口的分辨率為 2us。將經(jīng)過(guò)整形的位置傳感器檢測(cè)到的兩路輸出 P、 Q，分別送入單片機(jī)的高速輸入口 。將這兩個(gè)口設(shè)置為工作在中斷方式，兩路波形中的任 意一路發(fā)生跳變，都向 CPU 申請(qǐng)中斷，則電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò) 15176。便產(chǎn)生一次中斷。在中斷服務(wù)子程序中， HSI 從狀態(tài)寄存器 HSISTATUS 讀取引腳電平的當(dāng)前狀態(tài)，判斷轉(zhuǎn)子位置，確定導(dǎo)通相。從時(shí)間寄存器 HSITIME 讀取該次中斷的時(shí)間，由此可計(jì)算出轉(zhuǎn)速 n=060 TNNmir ???? （ 41） 式中 m 表示電動(dòng)機(jī)的相數(shù)； Nr 為轉(zhuǎn)子極數(shù)；? Ni = Ni – Ni1為兩次中斷間隔時(shí)間計(jì)數(shù)值； T0為每個(gè)計(jì)數(shù)值所需時(shí)間。 第 5 章 控 制 器 控制方式 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制方式，指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)對(duì)那些參數(shù)進(jìn)行控制及如何進(jìn)行控制，使電動(dòng)機(jī)達(dá)到規(guī)定的運(yùn)行工況（如規(guī)定的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等），并使其保持較高的力能指標(biāo)（如效率、溫升等）。它是研究開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的問(wèn)題： 控制參數(shù)與電機(jī)性能 角度控制 角度控制方法 控制開通角 θ on和 θ off關(guān)斷角。在θ ON和 θ off 之間，對(duì)繞組加正電壓，在繞組中建立和維持電流。在 θ off 后一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)繞組加反電壓，電流續(xù)流并快速下降，直至消失。 角度控制 與電動(dòng)機(jī)特性 （ 1） 角度控制與電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài) 改變 θ on 和 θ off 改變電流波形與繞組電感波形的相對(duì)位置。使該電流波形的主要部分置于電感波形的上升段，則使電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，反之使電流波形的主要部分置于電感波形的下降段，則電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行。 （ 2） 角度控制與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 在電動(dòng)狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)的電流分析知，開通角 θ on 提前，則在最小電感區(qū)段電流上升時(shí)間加長(zhǎng)，使電流波形有以下變化： 1）、波形加寬； 2）、波形的峰值和有效值增加； 3）、與電感波形的相對(duì)位置變化。 改變 θ on 使電感上升段電流變化，從而改 變了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載一定時(shí)，改變其轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步改變了轉(zhuǎn)速。改變一般不影響電流峰值，但影響電流波形寬度及其同電感曲線的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化，因此同樣對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，但其影響遠(yuǎn)沒(méi)有大。同樣的分析也可用于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。 角度的優(yōu)化 角度控制是控制開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一種最有效的方法。但首先必須解決如何控制的問(wèn)題。因?yàn)樵陔妱?dòng)機(jī)的允許范圍內(nèi)，對(duì)需要得到的一組轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，可以有許多，甚至無(wú)數(shù)組與之對(duì)應(yīng)。兩個(gè)不同 θ on 產(chǎn)生差異很大