【正文】 （ 3）電壓斬波 PWM 控制 電壓斬波 PWM 控制采用的方法是：在原來主開關(guān)相控觸發(fā)信號(hào)上加 PWM 的占空比D，從而調(diào)節(jié)施加在相繞組上的兩端電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的，與電流斬波控制方式類似，提高脈沖頻率 Tf /1? ，則電流波形比較平滑，電機(jī)出力增大，噪聲減少，但功率開關(guān)元件的工作頻率增大。 02?3?4?5??i123 圖 不同開通角的電流波形 ion? 1off 2off 3off? 圖 不同關(guān)斷角的電流波形 綜上分析可知，角度控制一般應(yīng)用于較高速區(qū)。關(guān)斷 角 off? 也可以作為控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)控。開通角 on? 提前太多將可能導(dǎo)致局部瞬間出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，總效果應(yīng)當(dāng)綜合考慮，不宜過分超前。這樣，在一定轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩隨開通角 on? 的減小而增大；在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨開通角減小而增加。 02?3?4?5?iHLionoffLL 圖 CCC 的電流波形 （ 2） APC 控制 在 SR 電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，為了使轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速的平方下降，在輸入電壓保持不變而通過改變開通角 on? 和關(guān)斷角 off? 來來獲得所需的較大電流，這就是 APC 控制。 i? 過大則易于使電流脈動(dòng)大，以至于電機(jī)噪聲太大； i? 過小，則使斬波頻率過高，使主開關(guān)無法長期地承受高頻下的開關(guān)損耗而被擊穿。當(dāng)電流傳感器檢測的電流信號(hào)大于設(shè)定信號(hào)的最大值時(shí)，主開關(guān)斷開；當(dāng)續(xù)流電流衰減到設(shè)定的最小值時(shí)，主開關(guān)重新開通，如此反復(fù)。因此采用該方式的主要問題在于參數(shù)不易優(yōu)化，電流脈動(dòng)大，振動(dòng)噪聲大。這種控制方式不足之處在于：雖然在一個(gè)控制周期內(nèi)關(guān)斷時(shí)間恒定，但電流下降多少，則取決于繞組的電感、電流變化率、轉(zhuǎn)速等因素，因此電流的下限并不一致。經(jīng)時(shí)間 t? 時(shí)再重新開通。 電流斬波控制的一般方法是保持開通角、關(guān)斷角不變，通過主開關(guān)器件的多次導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而將電流限制在某一值附近，借以控制轉(zhuǎn)矩。 若與開關(guān)角有關(guān)的參數(shù) F 不變，則ω正比于 Us，改變其外施電壓就會(huì)改變電 機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （ 3）轉(zhuǎn)矩的方向與繞組電流的方向無關(guān)，只要在電感曲線的上升段通入繞組電流就會(huì)產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩，而在電感曲線的下降段通入繞組電流則會(huì)產(chǎn)生反向的電磁轉(zhuǎn)矩。 [4] 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的控制 開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為如下： ???? LiT 221 （ 2－ 15） 由此可以看出 : （ 1）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)角的變化率大時(shí)，轉(zhuǎn)矩也大。 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? （ 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(guān)斷角θ off、最大電感 Lmax、最小電感 Lmin、定子極弧β s 等有關(guān)。 圖 開關(guān)磁阻電機(jī)相繞組 磁鏈曲線 繞組電流的分析 當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)由恒壓直流電源 Us 供電時(shí)，在繞組電感僅是轉(zhuǎn)子位置的線性函數(shù)的假設(shè)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(dǎo)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(nèi)是直線上升的，這是因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)電感恒為最小值，且無旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，因此開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)相電流可在該區(qū)域內(nèi)迅速建立。如此周而復(fù)始，往復(fù)循環(huán) [14]。 θ u 圖 定轉(zhuǎn)子相對(duì)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(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角，它的基準(zhǔn)點(diǎn)即坐標(biāo)原點(diǎn) θ =0 的位置，對(duì)應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時(shí)相電感為最小值 Lmin。開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律是很復(fù)雜的，難以用簡單的解析表達(dá)式來表示，因此很難建立精確可解的數(shù)學(xué)模型。以上兩種模型，電感參數(shù)有解析表達(dá)式，用于求解電機(jī)性能時(shí)，電流和轉(zhuǎn)矩有解析解，一般用于定性分析 [3]。線性模型忽略了飽和及邊緣效應(yīng)，認(rèn)為繞組電感與電流無關(guān)。 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 開關(guān)磁阻電機(jī)是一個(gè)多變量，嚴(yán)重非線性的模型，它的雙凸極特殊 結(jié)構(gòu)決定了其電感及電感變化率隨轉(zhuǎn)子位置θ而變化，在定子極與轉(zhuǎn)子極對(duì)齊位置電感值最大，在定子槽與轉(zhuǎn)子極對(duì)齊位置電感值最小，在這兩個(gè)位置之間相電感連續(xù)變化。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(chǎn) 生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就會(huì)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。相數(shù)越多，性能越好，但是同時(shí)成本也隨之增加，以三相（ 6/4）結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的如圖 所示 [8,9]。定子極上繞有集中繞組，徑向相對(duì)稱的兩組繞組串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)兩極磁極，稱為 “一相”。它是一個(gè)雙凸極可變磁阻電機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。根據(jù)可逆原理， SR 電機(jī)既可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能即電動(dòng)運(yùn)行，也可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能即發(fā)電運(yùn)行，但內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系不能簡單看成是 SR 電機(jī)的逆過程。 （ 4）應(yīng)用 matlab 在 SR 電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電機(jī)的性能仿真。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主回路。 本課題研究的主要內(nèi)容如下 : (1)研究 SR 電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和數(shù)學(xué)模型，分 析了 SR 電機(jī)主要的控制方式，并對(duì)這些控制方式進(jìn)行詳細(xì)的研究。而發(fā)展電動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作動(dòng)力。從而能有效的克服了變頻調(diào)速系統(tǒng)的弊端，使節(jié)能更為有效。 (3)用于家用電器 :將克服當(dāng)今洗衣機(jī)和空調(diào)機(jī)、電冰箱的缺陷，成為更完善新一代產(chǎn)品。 (2)用于紡織“探邊”設(shè)備 :經(jīng)過紡織行業(yè)的“探邊”與“對(duì)中”設(shè)備的實(shí)踐使用，取得了較好的效果。 (1)用于龍門刨床 :工藝上需要 電動(dòng)機(jī)能頻繁起、停及正反轉(zhuǎn)，開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)能較好的實(shí)現(xiàn)。通過 SR 電機(jī)的正確設(shè)計(jì)和控制技術(shù)的發(fā)展，這些問題將逐步得到解決。 （ 5） SRD 可靠性高 章濤：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 SR 電機(jī)不會(huì)發(fā)生感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂或燒熔的故障， 再加上 SR 電機(jī)采用簡單而堅(jiān)固的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由單極性功率變換器供單方向電流激勵(lì)，可做到磁路上各相相互獨(dú)立和電路上各相相互獨(dú)立，因此，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和容錯(cuò)能力。 （ 4） SR 可控參數(shù)多，控制方式簡單 SR 電動(dòng)機(jī)的控制方式主要有以下幾種 : ?角度控制方式 (APC)。這是因?yàn)橐环矫骐妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動(dòng)機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。 （ 3） SR 效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。另外，系統(tǒng)中每個(gè)功率開關(guān)器件均直接與電動(dòng)機(jī)繞組相串聯(lián)，避免了直通短路現(xiàn)象。 SR 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流的方向無關(guān)，只需單方向來對(duì)繞組供電，故功率電路結(jié)構(gòu)簡單，可以做到每相只需要一個(gè)功率開關(guān)器件。在定子方面，它只有幾個(gè)集中繞組，線圈嵌裝容易，端部短而牢固，因此制造簡便，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，并且發(fā)熱大部分在定子，易于冷卻。制造成本低且轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度高，使得電動(dòng)機(jī)可高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不致變形 。 SR 的特點(diǎn) （ 1） SR 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用于高速。而實(shí)際電流的大小是 SR 中不可缺少的一個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)的電流信號(hào)為電流斬波控制和防止過電流提供了根據(jù)。 （ 3）控制器 控制器是系統(tǒng)的核心，它綜合處理控制臺(tái)指令、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、相電流信號(hào)以及故障信號(hào)，控制功率變換器中主開關(guān)器件的開斷，實(shí)現(xiàn)對(duì) SR 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制，并完成必要的顯示功能。由于只需要給 SRM 電機(jī)提供單向電流，所以功率變換器的電路結(jié)構(gòu)簡單。目前常用的是 三相（ 6/4）極和四相（ 8/6）極。每個(gè)定子的鐵芯凸極上安裝集中繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯凸極無繞組，徑向相對(duì)的兩個(gè)定子的繞組串聯(lián)成一對(duì)磁極，稱為一相。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的概述 SRD 的基本結(jié)構(gòu) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (SRD)是由 SR 電動(dòng)機(jī)、功率轉(zhuǎn)換電路、控制電路及位置、電流檢測器構(gòu)成，如下圖 所示。我國 130KW 的開關(guān)磁阻電機(jī)已經(jīng)投入市場，北京中紡銳力機(jī)電有限公司開發(fā)的 SRM 可達(dá) 400KW，山東科匯電氣與淄博牽引電機(jī)公司、山東理工大學(xué)合作開發(fā)了 ～ 132kW 系列開關(guān)磁阻電 機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。并于 1993 年在我國電工技術(shù)學(xué)會(huì)中小型電機(jī)專業(yè)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下，正式成立了開關(guān)磁阻電機(jī)學(xué)組。 從二十世紀(jì) 80 年代初開始，我國許多單位先后開展了 SRM 的研究工作，如北京紡織機(jī)械研究所（即中國紡織總會(huì)紡織機(jī)電研究所）、華中理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)、福州大學(xué)、華南理工大學(xué)及浙江大學(xué)等，且 SRM 被列入中小型電機(jī) “七五 ”科研規(guī)劃項(xiàng)目。目前， SRD 在國外已取得很大的發(fā)展，其 產(chǎn)品已在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、家用電器、工業(yè)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)、高速驅(qū)動(dòng)等眾多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。 1980 年， Leeds 大學(xué)的 Lawrenson 教授及其同事總結(jié)了自己的研究成果，發(fā)表了題為“VariableSpeed Switched Reluctance Motors（變速開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)） ”的論文，系統(tǒng)闡述了 SR 電機(jī)的基本原理與設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并得出新型磁阻電機(jī)的單位出力可以與交流電感電機(jī)相媲美甚至略占優(yōu)勢(shì)的結(jié)論，這標(biāo)志著 SR 電機(jī)得到國際社會(huì)的承認(rèn) 。 20 世紀(jì) 70 年代初，美國福特公司研制出最早的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為軸向氣隙電動(dòng)機(jī)，具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和較寬范圍調(diào)速的能力，適用于蓄電池供章濤：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 電的電動(dòng)車輛的傳動(dòng)。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況 20 世紀(jì) 60 年代，大功率晶閘管的出現(xiàn)為 SR 電機(jī)的研究發(fā)展提供了重要的物質(zhì)條件。但因電路斷開時(shí)沒有釋放能量的續(xù)流二極管電路，以及采用機(jī)械開關(guān)控制電磁鐵的輪流通電，電動(dòng)機(jī)的性能（效率、功率因素和利用系數(shù)等）不高。 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究歷史和發(fā)展方向 “開關(guān)磁阻電機(jī) ”一詞源見于美國學(xué)者 1969年所撰寫的論文，它描述了這種電機(jī)的兩個(gè)基本特征： ① 開關(guān)性 ―― 電機(jī)必須工作在一個(gè)連續(xù)的開關(guān)模式，這也是為什么在各種新型功率半導(dǎo)體器件問世后這種電機(jī)才得以發(fā)展的主要原因； ② 磁阻性 ―― 定、轉(zhuǎn)子具有可變磁阻回路，是真正的磁阻電機(jī)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)已經(jīng)向各種傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出了挑戰(zhàn)，正逐步應(yīng)用在家用電器、一般工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電動(dòng)機(jī)、高速電動(dòng)機(jī)、航天器械及汽車輔助設(shè)備等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的市場競爭力。 SRM 結(jié)構(gòu)簡單，容錯(cuò)性能強(qiáng)，調(diào)節(jié)性能好，可以用于飛機(jī)的啟動(dòng)以及風(fēng)力發(fā)電等。我國在開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（ Switched Reluctance Drive，簡稱 SRD）的理論研究以及日用家電等方面也已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，已經(jīng)研制出了 350W到 50W 多個(gè)規(guī)格的樣機(jī)。特殊產(chǎn)品主要用于牽引機(jī)車。包括有通用型和特殊型，容量可達(dá) 5MW，轉(zhuǎn)矩達(dá) 1* 610 Nm，轉(zhuǎn)速達(dá) 510 r/min。所以 SRM 主要用于調(diào)速系統(tǒng)中。 [1] SRM 不僅可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。為了達(dá)到這個(gè)目的，國內(nèi)外的研究者投入了大量的人力、物力和財(cái)力對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究。人們發(fā)現(xiàn)，占電機(jī)用電量一半以上的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載是靠閥門和擋板來調(diào)節(jié)流量和壓力的，其拖動(dòng)電機(jī)一般工作在恒速狀態(tài)，從而造成了大量的電能浪費(fèi)。 據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，幾乎 99%的電能由同步機(jī)發(fā)出，60~70%的電能通過各種電機(jī)加以利用。 關(guān)鍵詞： 開關(guān)磁阻電機(jī)； TMS320LF2407；位置 檢測；電流檢測 II Switch the resistance of electrical machinery velocity modulation system design ABSTRACT Switched Reluctance Drive system is a high performance system, which is posed of Switched Reluctance Motor, Power electronic switching circuit and controller. Switched Reluctance Motor has not only low cost