【正文】 速系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率交換器、控制器、電流檢測環(huán)節(jié)、位置檢測環(huán)節(jié)五個(gè)部分組成。即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)坐一個(gè)單相磁場，其分鈾要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。目前大部分電機(jī)都是遵循這一原理，例如一般的直流電機(jī)和交流電機(jī)。在第一類電機(jī)中，運(yùn)動(dòng)是定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場相互作用的結(jié)果。本為的主要內(nèi)容如下：1. 分析了SR電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，研究了電機(jī)的運(yùn)行于控制特性；2．介紹了四種功率電路及開關(guān)器件并作出選型；3. 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中用到的各種芯片的性能和原理；4. 設(shè)計(jì)了顯示電路。 本課題研究的內(nèi)容在本課題中，設(shè)計(jì)完成了3相6/4極200W開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在微機(jī)控制中，已山8位單片機(jī)，發(fā)展為16位單片機(jī)，32位的單片微機(jī)的應(yīng)用也在研究開發(fā)之中。 微處理器和專用集成電路的應(yīng)用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)能夠正常工作的關(guān)鍵是每相開關(guān)導(dǎo)通、關(guān)斷的實(shí)時(shí)控制，對(duì)起動(dòng)、運(yùn)行、故障保護(hù)也要實(shí)時(shí)控制。變換器是根掘控制器的指令輸出直流脈沖電壓分配給電機(jī)各相繞組工作的，方案類型很多。因此如何讓它去掉位置檢測器，直接利用電機(jī)的電壓和電流信息間接確定轉(zhuǎn)子位置，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加峰固，運(yùn)行更加可靠、高效，成本更加低廉，無疑是一個(gè)很有潛力的研究方向。采取這種方案主要優(yōu)點(diǎn)是比較簡單、可靠。 探索實(shí)用無位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置方案開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的特性之一是開關(guān)性，就是要根掘轉(zhuǎn)子的位置對(duì)各相繞組進(jìn)行通電，因而必須獲得SRM的位置信息。 噪聲的抑制和提高SR電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)雖然針對(duì)SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲大的問題提出了許多改進(jìn)方案，但仍有待進(jìn)一步解決。 SR電動(dòng)機(jī)建模的研究SR電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的精確建立與描述直接決定和影響電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析、電機(jī)效率評(píng)估等，也是電機(jī)的高性能控制的基礎(chǔ)。計(jì)算工作量小，便于微機(jī)控制，是一種很有前途的控制方法。這種方法以繞組電流作為開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的輸入量，轉(zhuǎn)矩作為系統(tǒng)的輸出量，利用迭代學(xué)習(xí)控制方法不斷調(diào)整繞組中的電流、以得到希望的輸出轉(zhuǎn)矩。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大是其一個(gè)主要的缺點(diǎn)，因此如何獲取最佳的繞組電流波形以使開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小就成為主要的研究方向。如果將這些無位置檢測方案應(yīng)用于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)更加簡單。(6)、實(shí)用無位置傳感器方案的研究。(5)、完善開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器及控制器三者之間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，應(yīng)該把這三者作為一個(gè)整體來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不應(yīng)該將各部分的設(shè)計(jì)分裂開。(4)、改善電機(jī)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能仿真模型。從電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要是合理設(shè)計(jì)磁場結(jié)構(gòu)、定子磁軛強(qiáng)度和電機(jī)剛度，合理選擇氣隙、極弧參數(shù)及勵(lì)磁方式，優(yōu)化繞組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(3)、加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及噪聲的理論研究，提高電機(jī)的功率因數(shù)。(2)、加強(qiáng)對(duì)鐵心損耗理論的研究。目前，采用二維非線性有限元方法分析電機(jī)內(nèi)的飽和磁場具有局限性：第一，對(duì)以路為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法研究不夠，由路的方法導(dǎo)出的設(shè)計(jì)公式能以清晰的物理概念體現(xiàn)設(shè)計(jì)變量與結(jié)果之間的聯(lián)系，而場的方法則顯得比較抽象，就設(shè)計(jì)方法的經(jīng)濟(jì)性和正確性綜合考慮，用路的方法設(shè)計(jì)，而用場的方法來校核是一種比較理想的方法；第二，現(xiàn)有場的方法精度有待提高，應(yīng)計(jì)及端部效應(yīng)，開展開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)三維場的研究。 國內(nèi)外SRM的發(fā)展國內(nèi)外對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)做了進(jìn)一步的研究，目前的研究熱點(diǎn)主要有；(1)、進(jìn)一步完善開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理論，建立一套效率高、適用于工程設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)法。正是在電氣傳動(dòng)技術(shù)得到迅猛發(fā)展的時(shí)代背景下，20世紀(jì)80年代園際上推出了一種新型交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。而且直流電動(dòng)機(jī)造價(jià)高，維護(hù)困難，直流供電也有難度。第一章 緒論 開關(guān)磁阻電機(jī)的產(chǎn)生上個(gè)世紀(jì)60年代以前，在需要可逆、可調(diào)速和高性能的電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，直流傳動(dòng)系統(tǒng)一直占有統(tǒng)治性的地位。但是，直流電動(dòng)機(jī)存在致命的弱點(diǎn)，在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)候，利用電刷和換向器進(jìn)行換向的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生換向火花，因此直流電動(dòng)機(jī)無法做成高速、大容量的機(jī)組。紀(jì)60年代以后，隨著電力電子學(xué)、微電子學(xué)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電氣傳動(dòng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，開始挑戰(zhàn)直流電氣傳動(dòng)的統(tǒng)治地位，特別是交流電機(jī)的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論的產(chǎn)生以及應(yīng)用技術(shù)的推廣，使得交流傳動(dòng)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速以及可以四象限運(yùn)行(即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電動(dòng)、制動(dòng))等良好的技術(shù)性能，其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能完全可以與直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美，然而，交流傳動(dòng)系統(tǒng)也存在自身的不足，比如傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格高、力矩指標(biāo)有待進(jìn)一步提高等一系列問題。它融新的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體，兼有異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)代電氣傳動(dòng)的熱門課題之一。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的非線性使其性能分析和計(jì)算較為困難。在此基礎(chǔ)上，開展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，向智能化方向發(fā)展。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)磁場特性的非線性導(dǎo)致相繞組供電電壓和電流波形比較復(fù)雜，一般為單向脈動(dòng)的非正弦波；定、轉(zhuǎn)子各部分鐵心中的磁通密度變化規(guī)律也不相同，因此對(duì)定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗的計(jì)算和測量都很困難，目前面臨的主要問題是如何建立準(zhǔn)確、實(shí)用的鐵心損耗計(jì)算模型和分析、測試方法。減小開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲的關(guān)鍵在于如何減小作用在定子上的徑向力。從控制角度看，主要是優(yōu)選導(dǎo)通角和關(guān)斷角及調(diào)節(jié)脈沖寬度，盡可能調(diào)節(jié)好各相工作參數(shù)的對(duì)稱性。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的性能分析方法還處于探討階段，有待進(jìn)一步完善。目前的研究，尚停留在僅對(duì)特定類型的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分析核算的水平，只能完成局部的綜合設(shè)計(jì)和個(gè)別參數(shù)的優(yōu)化。目前，國內(nèi)外提出許多無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方案，比如，通過測試電機(jī)非激磁相繞組電感來估算轉(zhuǎn)子位置；利用探測線圈的自感和互感估算轉(zhuǎn)子位置；在定子兩個(gè)凸極之間安裝金屬平板，通過電容的變化來估算轉(zhuǎn)子位置等。(7)、開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小化技術(shù)。目前，主要的研究成果有利用迭代學(xué)習(xí)控制和轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。這種方法完全從控制工程的角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)的最小化，它不需測量電機(jī)磁特性，控制器結(jié)構(gòu)簡單。 SRD的研究發(fā)展方向目前，SRD的研究方向主要集中在更優(yōu)的電機(jī)建模、更簡便的位置傳感器、合理的開關(guān)元件、更小的噪聲、更高的功率因數(shù)和優(yōu)化控制系統(tǒng)方面。目前已有多種SR電動(dòng)機(jī)磁鏈建模方法，如線性法、準(zhǔn)線性法、函數(shù)解析法、表格法、有限元分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。從SR電動(dòng)機(jī)自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制角度兩個(gè)方面對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲進(jìn)行抑制。常見的方法是在定子和轉(zhuǎn)子上安裝一定數(shù)量的位置傳感器，利用傳感器發(fā)出的信號(hào)獲得轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置關(guān)系。但這不僅會(huì)提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是會(huì)降低SRM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的峰固性，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，尤其是在某些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場合。 變換器方案確定和主開關(guān)元器件選擇開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能和制造成本，在很大程度上取決于變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新元器件的不斷涌現(xiàn)，如何合理地選擇主丌關(guān)元件的類型、容量及數(shù)量也是十分重要的課題。早期采用的模擬電路控制，實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，比較合理的是采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)部分或全數(shù)字實(shí)時(shí)控制?？刂齐娐返募苫瘜?duì)簡化硬件電路、產(chǎn)品系列化、提高可靠性等非常有效，也是研究的方向之一。本系統(tǒng)已德克薩斯州儀器公司生產(chǎn)的TL494芯片為信號(hào)處理的的控制核心，采用公共開關(guān)型功率電路，完成了對(duì)SRD系統(tǒng)的控制。第二章 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)原理 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 兩類不同機(jī)理的電動(dòng)機(jī)電機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種相互作用產(chǎn)生使兩個(gè)磁場趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩，這類似于兩個(gè)磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現(xiàn)象。第二類的電機(jī)，運(yùn)動(dòng)是由定、轉(zhuǎn)子問氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時(shí)，便公有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨向于磁阻最小的位置。開關(guān)磁阻電機(jī)就是屬于這一類型的電機(jī)。這五個(gè)環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)工作，共同支持開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，而且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)也有多種不同的搭配，如圖2—1所示。三相以下的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)無自起動(dòng)能力，因此目前應(yīng)用較多的是三相、四相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。下面以最常見的四相8／6極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為例，來說明開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理。圖22 四相8/6極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理結(jié)構(gòu)上與步迸電動(dòng)機(jī)相似的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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，而具有一定形狀的鐵芯在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場的軸線相重合。此時(shí)穿過氣隙的磁力線是彎曲的，磁阻大于定、轉(zhuǎn)子軸線重合時(shí)的磁阻，因此轉(zhuǎn)子將受到彎曲磁力線切向分力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始位置，依次給D—A—B—C相的繞組通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給B—A—D—C相的繞組通電，則轉(zhuǎn)子就會(huì)沿著順時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖2—2中可以看出，當(dāng)主開關(guān)器件ss2導(dǎo)通的時(shí)候，A相繞組從直流電源U吸收能量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；而當(dāng)Sl、S2關(guān)斷的時(shí)候，繞組電流經(jīng)過續(xù)流二極管Dl、D2繼續(xù)流通，并將能量回饋給電源U。n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，在本設(shè)計(jì)中當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1500r/min時(shí)，每相開關(guān)頻率=100Hz，三相電動(dòng)機(jī)采用公共開關(guān)型功率電路時(shí)主開關(guān)頻率為：=3=300HZ （23） SRM電感與位置角的關(guān)系圖23為電感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系圖，在SR電動(dòng)機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極型式，相繞組電感L隨轉(zhuǎn)子磁極位置不同而變化，當(dāng)定子凸極軸線與轉(zhuǎn)子凸極軸線重合時(shí)，該相繞組電感為最大值Lmax；當(dāng)定子凸極軸線與轉(zhuǎn)子槽中心線重合時(shí)，該相繞組電感為最小值Lmin，該位置的轉(zhuǎn)子位置角定義為=0，即轉(zhuǎn)子位置角坐標(biāo)的原點(diǎn)。電感變化頻率與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)成正比，波長等于轉(zhuǎn)子極距τr，圖中1是轉(zhuǎn)子凸極的前極邊相遇處的位置角，2是轉(zhuǎn)子凸極的前極邊與定子凸極的前極邊重合處的位置角，3是轉(zhuǎn)子凸極的后極邊與定子凸極的后極邊相遇處的位置角，4是轉(zhuǎn)子凸極的后極邊與定子磁極的前極邊重合處的位置角，在23區(qū)域內(nèi)電感最大，在01，4區(qū)域內(nèi)電感最小。繞組電感L與轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)關(guān)系式為 （24） 其中 （25）