【正文】 從式 ()中可以看出， SR 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可控變數(shù)一般有加于相繞組兩端的電壓sU 、開(kāi)通角 on? 和關(guān)斷角 off? 三個(gè)參數(shù)。 (2)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)氣隙磁導(dǎo)變化產(chǎn)生的，當(dāng)磁導(dǎo)對(duì)轉(zhuǎn)角的變化率 ?ddL 越大時(shí)，轉(zhuǎn)矩也越大。 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? () 由上式可知，繞組電流與外加電源電壓 sU 、角速度 ? 、開(kāi)通角 on? 、關(guān)斷角 off? 、最大電感 maxL 、最小電感 minL 、定子極弧 s? 等有關(guān)。 （ 3）在 off? 到 3? 區(qū)域， )()( 2m in ??? ??? KLL ，繞組處于續(xù)流狀態(tài)，相電流在反向及旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的作用下以較快的速率下降。若 KLon /m in2 ?? ?? ，則 0?ik ，電流將保持恒值不變，這時(shí)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)恰好與電源電壓平衡；若 KLon /m in2 ?? ?? ，則 0?ik ，電流將繼續(xù)上升，這時(shí)因?yàn)?on? 較大，所以電流在 2? 處的數(shù)值較小，使有效工作段內(nèi)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的正壓降小于電源電壓。 （ 1）如圖 所示，在 1? 到 2? 區(qū)域， minLL? ，將 0)( ?oni? 作為初值條件結(jié)合式湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 （ ）解得： ???? onsLUi ??? m in)( （ ） 式 ()表明，電流在最小電感恒值區(qū)域內(nèi)（ 1? ～ 2? ）是直線上升的，上升率為0)( m i n ???? c on s tLUddik si ??? ，因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)電感恒為最小值，且無(wú)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，因此開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相電流可在該區(qū)域內(nèi)迅速建立。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 )(?Lm axLm inL0 2? 3? 4? 5? ?)(?i 60 on? off? g? ? 圖 角度位置控制方式典型相電流波形 顯然，為了得 到較大的有效轉(zhuǎn)矩，一方面，應(yīng)盡量減小制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感開(kāi)始隨轉(zhuǎn)子位置減小時(shí)應(yīng)盡快使繞組電流衰減到 0 ,為此，關(guān)斷角 off? 通常設(shè)計(jì)在最大電感達(dá)到之前。假設(shè)繞組電感僅是轉(zhuǎn)子位置的線性函數(shù)，且在式 ()中，繞組的電阻壓降 kkiR 和 dtd k? 相比起來(lái)很小，可以忽略掉，故 ()式可化簡(jiǎn)成： dtdUS ?? （ ） 又 )()( ??? iL? ，故有 ????????? ddLiddiLdtdddLidtdddiLdtdLidtdiLdtdU s ??????? （ ） 方程的兩邊同乘繞 組電流 i ，可得功率平衡方程 ： ???? ddLiLidtdddLidtdiLiiU s 222 21 ?????????? （ ） 該式表明，當(dāng) SR 電動(dòng)機(jī)繞組通電時(shí)，若不計(jì)相繞組的損耗，輸入的電功率一部分用于增加繞組的貯能 22Li 一部分則轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率輸出 ?? ddLi2 。 )(?L01? 2? 3? a? 4? 5?maxLminLr?r?s?后沿前沿定 子轉(zhuǎn) 子? 圖 圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角 (機(jī)械角 )，它的基準(zhǔn)點(diǎn)為坐標(biāo) 原點(diǎn) 0?? 的位置，對(duì)應(yīng)于定子槽中心線與轉(zhuǎn)子凹槽中心線對(duì)齊的位置，這時(shí)相電感為最小值 minL ；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)極距時(shí)，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對(duì)齊，這時(shí)相電感為最大值 maxL 。 SR 電機(jī)系統(tǒng)的線性分析 電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系分析 影響 SRD 運(yùn)行特性最主要因素是 SR 電動(dòng)機(jī)的相電流波形、電流的峰值以及電流峰值出現(xiàn)的位置。施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)作用之和，故第 k 相繞組電壓方程： dtdiRU khh /???? （ ） 將 代入 上式可得： 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 ? dtdLiLidtdiiLiLiRdtddtdiiRU Kkkkkkkkkkkkkkkkk ???????? ?????????????????? ) （ ） 上式表明，電源電壓與電路中三部分電壓降之和相平衡。 在建立各項(xiàng)方程前，設(shè) m 相 SR 電機(jī)各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)一樣，且第 ),......,1( mkk ? 相的磁鏈為 k? 、電壓為 kU 、電阻為 kR 、電感為 kL 、電流為 ki 、轉(zhuǎn)矩為 kT ，轉(zhuǎn)子位置角為 k? ，電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速為 ? 。 (d)查表法 該方法是把實(shí)測(cè)或計(jì)算所得的等角度、等電流間隔電機(jī)磁特性數(shù)據(jù) ?? ??,i 反演為等角度、等磁鏈間隔的電流特性數(shù)據(jù) ),( ??i ，的連同矩角特性數(shù)據(jù) ),( ?iT 的以表格形式存入 計(jì)算機(jī)中，然后用查表法數(shù)值求解非線性模型，這種方法較為直接、也較為精確，既可用于穩(wěn)態(tài)分析，也可用于解瞬態(tài)問(wèn)題。但是 SR 電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律很復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式來(lái)表示，因此很難建湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 立精確可解的數(shù)學(xué)模型。 建立模型常用的方法 目前人們針對(duì)電機(jī)磁鏈的變化，常采用以下 幾種方法來(lái)建立模型口： (a)理想線性模型 若不計(jì)電機(jī)磁路的飽以及邊緣效應(yīng)等影響，假定電機(jī)相繞組的電感與電流大小無(wú)關(guān)，且不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，可用 SR 電動(dòng)機(jī)的理想線性模型將磁鏈 k? 近似為電流 ki 的線性函數(shù)，這種方法可了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)之間的相互關(guān)系，并可作為深入探討各種控制方式的依據(jù)，但求解的誤差較大，精度較低。同時(shí)，對(duì)于單邊磁拉力引起的噪聲也有一定的降低，對(duì)于本設(shè)計(jì)的四相電機(jī)來(lái)說(shuō)，若在運(yùn)行中有兩相繞組同時(shí)通電，則相當(dāng)于一相繞組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單邊磁拉力分解成不同圓周角度上的兩部分力，故而對(duì) 徑向磁拉力引起的噪聲的降低也有一定的貢獻(xiàn)。而且，兩相起動(dòng)方式的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比值減小，所以起 動(dòng)過(guò)程較平穩(wěn)。 如果起動(dòng)時(shí) SR 電機(jī)兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由兩相繞組共同產(chǎn)生。由圖可知這種單相起動(dòng)方式的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為相鄰兩相矩角特性交點(diǎn) 3? 處的轉(zhuǎn)矩，顯然，加在 SR 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須小于最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)才可能在任意位置都能起動(dòng)，否則便會(huì)出現(xiàn)“起動(dòng)死區(qū)”。如圖 所示，將各相轉(zhuǎn)子的位置角 ? 的參考坐標(biāo)統(tǒng)一取在 A 相最小電感處，將 A, B, C, D 四相繞組通電的矩角特性畫(huà)在一起。其它特點(diǎn)則與電流斬波控制方式相反，它適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。改變占空比，則繞組電壓的平均值 SU 將會(huì)變化，進(jìn)而間接改變相繞組電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，這就是電壓斬波控制。經(jīng)時(shí)間 1T ，或電流降至斬波電流下限值時(shí)，重新導(dǎo)通 (稱斬波導(dǎo)通 )，重復(fù)上述過(guò)程，則形成斬波電流波形，直至 off??? 時(shí)實(shí)行相關(guān)斷，電流衰減至零。 低速工作時(shí)多采用斬波控制方式，用來(lái)限制電流峰值。其次，電動(dòng)機(jī)在角度位置控制方式下運(yùn)行效率高。改變開(kāi)通角 on? ，可以改變電流的波形寬度、電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對(duì)位置；改 變關(guān)斷角 off? 一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化，因此 off? 同樣對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒(méi)有 on? 那么大。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第 3 章 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制 策略 角度位置控制 在直流電壓的斬波頻率和占空比確定時(shí)，加于相繞組兩端的電壓大小不變的情況下，可通過(guò)調(diào)節(jié) SR電動(dòng)機(jī)的主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通角 on? 和關(guān)斷角 off? 的值，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和速度的調(diào)節(jié)，此種方法便稱之為角度位置控制 (APC)。因此，連續(xù)不斷地按照 A B C D A? ? ? ?的順序給電機(jī)各相勵(lì)磁 ， 作用在轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能將源源不斷地轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電運(yùn)行 。磁力線由定子 軛 經(jīng)定子極 A 、氣隙、轉(zhuǎn)子極 鐵心、轉(zhuǎn) 子極 1? ，再回經(jīng)定子極 A’ ，形成閉合回路。設(shè)發(fā)電機(jī)在外力的驅(qū)動(dòng)下， 以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)主湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 開(kāi)關(guān) K1 和 K2 導(dǎo)通時(shí)，定子繞組接受外電路的勵(lì)磁，外部供給 的電能和機(jī)械能均轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能； 當(dāng)主開(kāi)關(guān)關(guān)斷并通過(guò)二極管 D D2 續(xù)流時(shí)，磁場(chǎng)儲(chǔ)能和機(jī)械能都轉(zhuǎn)化成電能回饋電源或向負(fù)載供電。轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體，定子上繞有集中繞組，由徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組。 電流檢測(cè) 為了實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)，使電機(jī)安全運(yùn)行 ，必須對(duì)繞組中的電流進(jìn)行檢測(cè) ，電流檢測(cè)電路一定要符合以下的條件： （ 1） 被測(cè)主電路 (強(qiáng)電部分 )與控制電路 (弱電部分 )間應(yīng)良好隔離，且有一定的抗干擾能力。當(dāng)凸極遮住光線的時(shí)候，傳感器輸出低電平，沒(méi)有遮擋的時(shí)候輸出高電平，圖 表示的就是由傳感器產(chǎn)生的兩路輸出位置信號(hào)，并且給出它們與相繞組電感之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于四相 8/6極電機(jī)，只須在定子極上安裝兩個(gè)相距 1/4轉(zhuǎn)子齒距角，即相距 075 或 015的光電元件，見(jiàn)圖 。 位置檢測(cè) 根據(jù)所用光電傳感器個(gè)數(shù)的不同，位置檢測(cè)的方法可分為全數(shù)檢測(cè)和半數(shù)檢測(cè)兩種。 控制器 控制器是 SRD 系統(tǒng)的 主要 大腦，起決策和指揮作用。以 A 相為例，每相有兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管 S1 和 S5 及續(xù)流二極管 D1 和 D5。電機(jī)每相繞組的外施電壓為電源電壓的一半，因?yàn)槿我幌嗬@組電路必須以其它繞組為通路，換相相的磁能一部分回饋電源，另一部份注入導(dǎo)通相繞組，因此只能工作 在兩相同時(shí)通電方式，從而缺少一些控制靈活性。將整流橋輸出的電壓用雙電容裂相 (電容同時(shí)也起濾波、存儲(chǔ)繞組回饋能量的作用 )，采用這種電路，可 對(duì)電動(dòng)機(jī)的各相獨(dú)立控制，每相只需一個(gè)主開(kāi)關(guān)元件和一個(gè)續(xù)流二極管。雙 繞組主電路十分簡(jiǎn)單，每相繞組只有一只主開(kāi)關(guān)及一只續(xù)流二極管。其中，最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：電機(jī)雙繞組型、電容裂相型、 H 橋型、不對(duì)稱半橋式、具有最少數(shù)量主開(kāi)關(guān)器件的功率變換器電路等。這就使得其主開(kāi)關(guān)器件的定額計(jì)算較為復(fù)雜，主開(kāi)關(guān)器件的選擇與電動(dòng)機(jī)功率、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)，還與主開(kāi)關(guān)器件本身的開(kāi)關(guān)速度、觸發(fā)難易、開(kāi)關(guān)損耗、抗沖 擊性、耐用性等有關(guān)。提供轉(zhuǎn)子的位置信息從而確定各相繞電 源 主電路 SRM 給定指令 控制器 電流檢測(cè) 速度檢測(cè) 位置檢測(cè) 驅(qū)動(dòng)電路 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 組的開(kāi)通和關(guān)斷，提供電流 信息來(lái)完成電流跟蹤控制或采取相應(yīng)的保護(hù)措施以防止過(guò)電流。其主要作用有： （ 1） 向 SR 電動(dòng)機(jī)傳輸電能，滿足機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的需要； （ 2） 起開(kāi)關(guān)作用，使 SR 電動(dòng)機(jī)的各相繞組適時(shí)通斷； （ 3） 為 SR 電動(dòng)機(jī)各相繞組的儲(chǔ)能提供回饋路徑。它遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理，由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。 ③ 驅(qū)動(dòng)同等功率等級(jí)的 SR 電機(jī)，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驅(qū)動(dòng)更高功率等級(jí)的 SR 電機(jī) 。 SRD 系統(tǒng)功率變換器研究初期，最少量主開(kāi)關(guān)器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曾是研究的熱點(diǎn)，這是因?yàn)橹鏖_(kāi)關(guān)器件的減少，意味者相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路以湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 及功率損耗等相應(yīng)減少，因此系統(tǒng)的體積以及成本會(huì)全面降低。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的使用部分解決了 SRD 系統(tǒng)的非線性多變量強(qiáng)耦合問(wèn)題，但離實(shí)用技術(shù)還有一定距離，主要表現(xiàn)在一些控制技術(shù)中為設(shè)計(jì)目的提出的模型太過(guò)復(fù)雜而難以用于 SR 電機(jī)實(shí)時(shí)控制，而有的為控制目的提出的模型則過(guò)于簡(jiǎn)單而影響了控制的實(shí)際效果，或者因控制參數(shù)難于確定而失去實(shí)用的價(jià)值。與傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比， SRD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的難度要高一些。由于 SRD 系統(tǒng)是脈沖供電工作方式，瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，低速時(shí)步進(jìn)狀態(tài)明顯，振動(dòng)噪聲大，這些缺點(diǎn)限制了其在諸如伺服驅(qū)動(dòng)這類要求低速運(yùn)行平穩(wěn)且有一定靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力場(chǎng)合下的應(yīng)用。SR 電機(jī)的鐵損耗計(jì)算難度較大，這是因?yàn)殡姍C(jī)供電波形復(fù)雜、電機(jī)磁路局部飽和嚴(yán)重、電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)幾雙凸極結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。位置傳感器的取消將使 SRD 系統(tǒng)有更多的優(yōu)勢(shì)與直流及交流變頻調(diào)速相競(jìng)爭(zhēng)。 (2) 無(wú)位置傳感器 SRD 系統(tǒng)的研制 位置檢測(cè)環(huán)節(jié)是 SR 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，檢測(cè)到的位置信號(hào)既是繞組開(kāi)通與關(guān)斷的依據(jù)，也為轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制提供了轉(zhuǎn)速信息。 (3) 相數(shù)越多，主接線數(shù)越多，此外還有位置傳感器的出線。 當(dāng)然， 就目前的發(fā)展水平而言， SR 電動(dòng)機(jī)主要 還 存在 如下 缺點(diǎn) ： (1) 采用的是磁阻式 電動(dòng)機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁式電動(dòng)機(jī)?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便，可以根據(jù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求和電動(dòng)機(jī)的情況，采用不同控制方法，使之有效的運(yùn)行。這是因?yàn)橐环矫骐妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在繞組銅