【正文】 機的負載能力曲線?？煽貐?shù)多使之能在制動運行同電動運行具有同樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。 （ 7） 效率高，損耗小 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)是一種非常高效的系統(tǒng)。其系統(tǒng)效率在很寬范圍內(nèi)都在 87%以上，這是其他一些調(diào)速系統(tǒng)不容易達到的。該系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和不同負載下效率均比變頻器系統(tǒng)高，一般要高 5%左右。 開關(guān)磁阻電動機由于具有串勵直流電動機的特性，因此在發(fā)展的初期主要應(yīng)用在電力機車的牽引上。另外，對于低壓、小功率的應(yīng)用場合，開關(guān)磁阻電 動機遠優(yōu)于普通的異步電動機和直流電動機。經(jīng)濟型小功率開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)有廣闊的市場，尤其是在家用電器方面的應(yīng)用。 （ 2）開關(guān)磁阻電動機運行時轉(zhuǎn)矩脈動較大，通常轉(zhuǎn)矩脈動的典型值為177。 （ 3）開關(guān)磁阻電動機相數(shù)越多，主接線數(shù)越多。電動機和控制器之間的連線增加，而且位置傳感器的分辨率有限，使系統(tǒng)的運行性能下降。 針對上述缺點，國內(nèi)外對開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)做了進一步的研究，研究的方向有： 進一步完善開關(guān)磁阻電動機的設(shè)計理論，建立一套效率高、適用于 工程設(shè)計要求的優(yōu)化設(shè)計法。 （ 2） 加強對 轉(zhuǎn)矩脈動及噪聲的理論研究，提高電機的功率因數(shù)。 （ 4） 完善開關(guān)磁阻電動機、功率變換器及控制器三者之間的協(xié)調(diào)設(shè)計。 （ 6） 開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩波動最小化技術(shù)。 本文 在以前研究工作 的 基礎(chǔ)上，研究小功率開關(guān)磁阻 電機的 驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計一個 開關(guān)磁阻電機 的驅(qū)動系統(tǒng) 控制器。 圖 21 開關(guān)磁阻電機調(diào)速 系統(tǒng) (SRD)框圖 1． SR 電動機是 SR 系統(tǒng)中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件， 其結(jié)構(gòu)和工作原理都與傳統(tǒng)電機有較大的差別。由于 SR 電機繞組電流是單向的，使得 功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu) 簡單， 而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的，可以避免直通短路危險。 3．控制器是 SRD 系統(tǒng)的核 心部分，其作用是綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的通斷，實現(xiàn)對 SR電動機運行狀態(tài)的控制。 2． 2 開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與運行原理 SR 電動機的運行遵循“磁阻最小原理” —— 磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。 圖 22 SR電動機結(jié)構(gòu)原理圖 下面以三相 12／ 8 極開關(guān)磁阻電動機為例，來說明開關(guān)磁阻電動機的運行機理。其中 S S2 是功率電子開關(guān)， D D2 是二極管， E 是直流電源。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁導(dǎo) 小于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時的磁導(dǎo)，因此，轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子磁極的軸線 Oa 向定子 A 相磁極軸線 OA 趨近。此時打開 A 相開關(guān) SS2，合上 B 相開關(guān)，即在 A 相斷電的同時 B 相通電，建立以 B 相定子磁極為軸線的磁場，電動機內(nèi)磁場沿順時針方向轉(zhuǎn)過 30? ，轉(zhuǎn)子在磁場磁拉力的作用下繼續(xù)沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過 15? 。可見，連續(xù)不斷地按 ABCA 的順序分別給定子各相繞組通電，電動機內(nèi)磁場軸線沿 ABCA 的方向不斷移動，轉(zhuǎn)子沿ACBA 的方向逆時針旋轉(zhuǎn)。 綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論： SR 電動機的轉(zhuǎn)動方向總是逆著磁場軸線的移動方向，改變 SR 電動機定子繞組通電順序，即可改變電機的轉(zhuǎn)向；而改變通電相電流的方向，并不影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向。 2． 3 開 關(guān)磁阻電機的基本方程 SR 電機的工作原理和結(jié)構(gòu)比較簡單，但由于電機的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流與磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機運行期間的開關(guān)性和可控性，使得電機的各個物理量隨轉(zhuǎn)子位置周期性變化，定子繞組的電流和磁通波形極不規(guī)則，難以簡單地用傳統(tǒng)電機的分析方法解析計算。但基本方程式的求解是一項比較困難的工作。線性模型 法是在 一系列簡化條件下導(dǎo)出的電機轉(zhuǎn)矩與電流的解析計算式，雖然精度較低，但可以通過解析式了解電機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法的依據(jù)，基于此，接下來簡單介紹一下開關(guān)磁阻電機的基本方程。根據(jù)線性化分析法，在計算過程中，忽略 SR 電機中各相繞組間互感。在公式 (23)的等式右端第一項kkRi 表示第 k 相回路的電阻壓降：第二項 ()kkkkkL diLi i dt?? ? 表示由電流變化引起的磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，也稱作為變壓器電動勢；第三項 kk L di dt????表示由轉(zhuǎn)子位置變化引起繞組中磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，也稱作為運動電動勢。 J —— 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。 LT —— 負載轉(zhuǎn)矩。本文為了弄清楚電機內(nèi)部的電磁關(guān)系，對電機進行線性模式分析。 圖 23 定、轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置與相繞組電感曲線 在圖 23 中，令定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置為 ? =0 的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到 2? 位置后，轉(zhuǎn)子凸極的前沿開始與定子凸極的后沿對齊。因為轉(zhuǎn)子與定子凸極完全重合，所以這時相電感達到最大值 maxL ，但磁阻 最小，這種情況一直保持到 4?的位置。隨后，轉(zhuǎn)子凹槽開始進入定子凸極區(qū)域，相電感重新減到最小值 minL ，磁阻最大。其理想化的相電感與轉(zhuǎn)子位置角的線性方程式為： ? ?m in 1 22 m in 2 3m a x 3 4m a x 4 4 5( ) ( ) ()()( ) ( )LKLLLLK? ? ?? ? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ????? ? ? ? ??? ? ???? ? ? ? ?? （ 26） 式中， m a x m in s( ) / , sK L L ???? —— 定子磁極弧。還可以得出， SR 電機的轉(zhuǎn)子數(shù)越少，越可以增大電感對位置角的變化率，也就有利于增大電機的出力。因此可以通過增大電流的大小直接增大 SR 電機的電磁轉(zhuǎn)矩。因此，可以通過改變繞組的通電時間來改變轉(zhuǎn)矩的方向，而改變電流的方向不會改變轉(zhuǎn)矩的方向。 考慮磁路飽和時 SR電動機的分析 基于非線性模型的 SR 電動機分析十分復(fù)雜，必須借助數(shù)值算法（包括電磁場有限元分析、數(shù)字仿真等方法）實現(xiàn)。 分段線性化的方法有多種。其中一段為磁化特性的非飽和段，其斜率為電感的不飽和值；另一段為飽和段，可視為與 ? =0 位置的磁化曲線平行，斜率為 minL 。 圖 24 分段線 性磁化曲線 基于圖 24 的 SR 電動機準(zhǔn)線性模型，寫出繞組電感 L（ i， ? ）的分段解析式為： m in 1 2m in 212311m in 2m a x 1341m in m a x m in 1m a x 4 1451m in m a x m in 4 1()0+K ( )0( , i )+( L )( ) 0[ ( ) ]LLKiiiiiLiL i iLiL L i iiL K i iiL L L K i ii? ? ???? ? ????? ? ???? ? ?????????? ?? ???? ??? ?????? ?? ???????? ?? ??? ? ? ? ???? ???? ? ? ? ?? ??? （ 210） 式中， m a x m in s( ) / , sK L L ???? —— 定子磁極弧。在相電流為理想平頂波的情況下， SR 電機平均電磁轉(zhuǎn)矩 avT 的解析式為： 2 2222 m i n m a x m i n1( ) ( )22 o ffs o nra v o ffUNTm L L L??????? ??? ? ??? （ 212） 上 述基于準(zhǔn)線性模型的計算方法多用于分析計算功率變換器和控制策略中。這個結(jié)論可以作為制定控制策略的依據(jù)。 基于此，本設(shè)計采用如下策略： 在低速運行時，為了限制繞組電流不超過允許值， 可以調(diào)節(jié)外施電壓 sU 、開通角 on?和關(guān)斷角 off? 三個控制量。即低速時本設(shè)計采用電流斬波控制 （ CCC） 。 也即采用角度位置控制 (APC)。通過改變開通角和關(guān)斷角 ，可實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩性質(zhì)、大小和相電流波形的最優(yōu)控制，從而最佳地調(diào)節(jié) SRM 的效率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向。并且調(diào)節(jié) off? ， 相電流的改變更加顯著。開通角 on? 位置功率電路開關(guān)器件導(dǎo)通，繞組電流從 O 開始上升，當(dāng)電流超過指令值達到電流上限值時，開關(guān)器 件關(guān)斷切斷繞組電流，繞組承受反壓，電流快速下降。 (三 )、電壓斬波控制 電壓斬波控制是 SRM 在低速運行時，利用電壓 PWM 控制器對繞組采樣電流 與指令電流進行跟蹤控制。 開關(guān)磁阻電機調(diào)速 系統(tǒng)總體方案的確定 根據(jù)開關(guān)磁阻電 機調(diào)速系統(tǒng)的組成可以得到 SRD 控制系統(tǒng)的原理圖，如下圖 25所示 . SRD 系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。換相邏輯是通過電機轉(zhuǎn)角和給定開通角、關(guān)斷角來決定的。 第三章 小功率開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計 本課題設(shè)計的 4kW 開關(guān)磁阻電機 驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè) 計主要分為兩大部分：即 功率變換器電路的設(shè)計和 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。驅(qū)動 系統(tǒng)設(shè)計以 ATMEL 公司的單片機 AT89C51 和電機智能控制模塊 MCSRD9800 為控制核心，包括控制核心單片機 AT89C51 的資源分配和外圍電路設(shè)計、電機智能控制模塊MCSRD9800 的使用、位置檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計、電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計、 D／ A 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、驅(qū)動控制信號的邏輯綜合以及單片機最小 電路設(shè)計。 樣機 的參數(shù) 本設(shè)計使用的樣機 是一臺三相 12／ 8 極開關(guān)磁阻電動機，電動機的主要參數(shù)如下：額定功率 4kW，額定電壓 513V，額定轉(zhuǎn)速 1000r／ min，額定工況下繞組的平均電流 5A，有效值電流 9A，峰值電流 19A。 功 率 變換器 的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 主電路拓撲結(jié)構(gòu)介紹 SRD的功率變換器電路結(jié)構(gòu)有多種，不同結(jié)構(gòu)電路的主開關(guān)器件 數(shù)量與定額、能量回饋方式及適用場合均不同 。當(dāng)兩只主開關(guān) VT1和 VT2同時導(dǎo)通時，電源 Us向電機相繞組供電；當(dāng) VT1和 VT2同時關(guān)斷時，相電流沿圖中箭頭方向經(jīng)續(xù)流二極管 VD1和 VD2續(xù)流，將電機的磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現(xiàn)強迫換相。缺點是開關(guān)器件數(shù)量較多。主開關(guān) VT1導(dǎo)通時，電源對主繞組供電，形成圖示實線箭頭方向的電流 ； 當(dāng) VT1關(guān)斷時，靠磁耦合將主繞組的電流轉(zhuǎn)移到副繞組，通過二極管 VD1續(xù)流（續(xù)流電流方向為圖中虛線箭頭 方 向），向電源回饋電能，實現(xiàn)強迫換相。 雙繞組型功率變換器電路簡單，每相只有一個開關(guān)管，開關(guān)元件少，這是它最大的優(yōu)點。如設(shè)主、副繞組的匝數(shù)比為 1:1，并認為它們完全耦合，則主開關(guān)的額定工作電壓應(yīng)為2Us。另外，由于采用主、副兩個繞組，電機槽及銅線利用率低，銅耗增加，體積增大。 (3) 電容分壓型主電路 電容分壓型主電路也叫電容裂相型主電路或雙電源型主電路，是四相 SRM廣泛采用的一種功率變換器電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖 33所示。 在這種電路中， SRM采用單相通電方式，當(dāng)上橋 臂的開關(guān)管 VT1導(dǎo)通時， A相繞組從電容 C1吸收電能；當(dāng) VT1斷開時，則 VD1導(dǎo)通， A相繞組的剩余能量回饋給電容 C2。因此，為了保證上、下兩個電容的工作電壓對稱，該電路僅適用于偶數(shù)相 SRM。在同等功率情況下，主開關(guān)器件的工作電流為雙開關(guān)型 圖 33 電容分壓型主電路 電路中功率器件的兩倍。 電容分壓型功率變換器電路有以下特點： ①每相只用一個主開關(guān)，功率器件少，結(jié)構(gòu)最簡單； ②電機的相數(shù)必須是偶數(shù)，上下兩路負載必須均衡； ③在實際工作時，由于分壓電容不可能很大，中點電位是波動的。 (4) H 橋型主電路 如圖 34所示， H橋型主電路比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個串聯(lián)的分壓電容 ，換相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點電位的較大浮動。本電路特有的優(yōu)點是可以實現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。實際上，四相電容分壓型主電路采用兩相導(dǎo)通方式時，其工作情況和 H橋型主電路是相同的。 公共開關(guān)對供電相實施斬波控制， 當(dāng) VT和 VT1同時導(dǎo)通時，電源向 A相繞組供電；當(dāng) VT1導(dǎo)通 、 VT關(guān)斷時， A相電流經(jīng) VD續(xù)流；當(dāng) VT和 VT1都關(guān)斷時，電源通過 VD和 VD1反加于 A相繞組兩端，實現(xiàn)強迫續(xù)流換相；若 VT導(dǎo)通， VT1關(guān)斷時，相電流將經(jīng) VD1續(xù) 流，因 A相繞組兩端不存在與電源供電電壓反極性的換相電壓，不利于 實現(xiàn)強迫換相。該電路所需開關(guān)器件和二極管 數(shù)量較雙開關(guān)型電路大大減少，可適于相數(shù)較多的場合，其造價明顯降低。 根據(jù)上述的功率變換器主電路的選用依據(jù)和原則，并針對本文所研究的三 相 (12/8)開關(guān)磁阻電機，系統(tǒng)功率變換器 采用 三相公共開關(guān)型主電路。 圖 36 三相公共開關(guān)型主電路 開關(guān)磁阻電機功率變換器主開關(guān)器件的選擇與電機的功