【正文】 Can not match the significant features. Thesis based on threephase 12 / 8 poles SRM as the research object, pleted a microcontroller as the core ponent of the control system design. The system uses the PWM control mode, use Asymmetrical halfbridge power converter main circuit power supply, the main switching devices used IGBT. MCU STC89C52 as the core of the controller. Mainly on the current detection, position detection, fault protection and other peripheral circuits and display circuits were designed, with the flow, overvoltage protection function. The design also uses the modular programming method to enhance the readability and ease of maneuverability. According to the SRM quasilinear dynamic model, based on MATLAB/SIMULINK, a dynamic simulation model of SRM is developed. The simulation results really report work status of SRM. Finally the paper carries on a preliminary experiment of controlling switched reluctance motor with this design, obtains some experimental data and achievements, and provides a useful exploration and practice in the subject of SRD in both software and hardware aspects． Keywords: switched reluctance motor。 power converter。 SR 電機的結(jié)構(gòu)比籠型異步電動機簡單，但 SR 電機的控制要求根據(jù)負(fù)載和運行條件的不同，在不同的轉(zhuǎn)子相對位置下通斷各相繞組的主開關(guān)器件，這樣既提高了電機控制的靈活性，也增加了電機運行控制的復(fù)雜性，顯然，如果不采用軟件與硬件相結(jié)合的數(shù)字控制系統(tǒng)對 SR 電機進(jìn)行控制， SRD 性能的提高必然受到一定的限制，同時控制器的硬件 電路亦將過于復(fù)雜和龐大。一方面，采用直接數(shù)字控制簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，另一方面，直接數(shù)字控制符合 SRD 系統(tǒng)的特點，現(xiàn)代計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為直接數(shù)字控制提供了強大的物質(zhì)和技術(shù)支持，目前開關(guān)磁阻電動機已 開始 廣泛 應(yīng)用于工，航空業(yè)和家用電器等各個領(lǐng)域，隨著對開關(guān)磁阻電動機認(rèn)識的深入，其應(yīng)用必將更為普遍。 60 年代末， 提出了增加飽和度有利于提高磁阻電動機出力的觀點，才使得 SR 電機得到迅速的發(fā)展。 國外， 70 年代初，美國 FORDMOTOR 公司研制出了最早的開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng) (Switched Reluctance Drive)。晶閘管功率電路，具有電動機和發(fā)電機運行狀態(tài)和較寬范圍調(diào)速的能力，特別適合于作蓄電池供電的電動車輛傳動 。該產(chǎn)品的出現(xiàn)在電氣傳動界引起了不小的反響。 1985 年研制成 200kW 的樣機，最大轉(zhuǎn)速 為 10000r/min， 美國開發(fā)了用于航空航天方面的 SRD 系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速可達(dá) 25000r/min。 1985 年華中理工大學(xué)研制以 SCR 為功率開關(guān)器件的 kW 的 SRD 系統(tǒng)； 1987年，北京紡織機械研究所與南京調(diào)速電機廠合作開發(fā)了 3kW 的 8/6 極、以 BJT 為功率開關(guān)器件和以單片機 8751 為核心芯片的控制器的 SRD 系統(tǒng)產(chǎn)品； 1993 年， 30kW級別的 SR 電機在山東淄博電機二廠通過鑒定； 2020 年，國內(nèi) 10kW 以上的 SR 電機已應(yīng)用于煤礦的采煤機，并開始進(jìn)行 180kw 的 SR 電機在地鐵機車上的應(yīng)用研制。 開關(guān)磁阻電動機的組成 開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)主要由 開關(guān)磁阻 電 動 機、功率 驅(qū)動 器、控制器和檢測器四部分組成 如圖 11。 1．開關(guān)磁阻電動機 開 關(guān)磁阻電動機（簡稱 SRM）是 SRD 中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的部件也是 SRD 有別于其他電動機驅(qū)動系統(tǒng)的主要標(biāo)志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)矩采用雙凸極結(jié)構(gòu)就是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路的磁阻要盡可能大地變化。因此功率 驅(qū)動 器包括由整流器所產(chǎn)生的直流電源和開關(guān)元件等。 SRD 的 分類 主要取決于功率驅(qū)動 器。根據(jù) 控制器中設(shè)定好的控制策略及其相應(yīng)的算法，將外部反饋的電流、位置等檢測輸入量與內(nèi)部程序中計算得出的給定量進(jìn)行比較判斷，決定電機的控制方式，并在合理的轉(zhuǎn)子位置控制功率 驅(qū)動 器中各相主開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)機電能量合理、有效的轉(zhuǎn)化。微機信息處理功能大部分是由軟件完成，因此，軟件也是控制器的一個重要組成部分。位置 檢測的目的是確定定 子與 轉(zhuǎn)子的相對位置，即要用位置傳感器檢測定轉(zhuǎn)子相對位置，然后位置信號反饋至邏輯控制電路，以確定對應(yīng)相繞組的通斷。單向、脈動以及波形隨運行方式、運行條件不同而變化很大是開關(guān)磁阻電機相電流的基本特點。 開關(guān)磁阻電動機的性能特點 SRD 系統(tǒng)具有十分突出的性能優(yōu)點 ： 、成本低、 適用于高速場合 SR 電機的結(jié)構(gòu)甚至比通常被認(rèn)為是最簡單的鼠籠式感應(yīng)電機還要簡單。同時其轉(zhuǎn)子機械強度很高，可用于超高速運轉(zhuǎn) (10000r/min)。 ，有很高的運行可靠性 SR 電機的運轉(zhuǎn)不同于傳統(tǒng)的電機運轉(zhuǎn)機理。而 SR 電機各相繞組和磁 路相互獨立，各自在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因此本系統(tǒng)可以構(gòu)成可靠性很高的系統(tǒng)。從而可使每相繞組只需一個主開關(guān)，降低 功率驅(qū)動器 成本。 傳統(tǒng)的 PWM 變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關(guān)直接跨在直流電源側(cè)，容易發(fā)生直通短路燒毀功 率元件。 ，低起動電流。一般典型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)是 :起動電流為 10%額定電流時，獲得的起動轉(zhuǎn)矩為 100%額定轉(zhuǎn)矩；起動電流為額定值的 30%時，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到其額定值的 150%。 ，調(diào)速范圍寬。目前， SR 電機轉(zhuǎn)速的控制模式主要有以下幾種 : (1) 角度位置控制 APC 方式。關(guān)鍵在于將角度量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)速度時的時間可控量。 (2) 電流斬波控制。一般用于電機低速區(qū)。開關(guān)角固定不變，繞組不 同的外施電壓對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線，因此可以通過調(diào)節(jié)加在繞組上的電壓來控制電機轉(zhuǎn)速。 SR 電機的轉(zhuǎn)子不存在勵磁及轉(zhuǎn)差損耗，功率變換器開關(guān)器件少，相應(yīng)的損耗也小。 開關(guān)磁阻電動機的應(yīng)用場合 由其性能特點，開關(guān)磁阻電動機可以在許多場合得到應(yīng)用： 在要求快速正反轉(zhuǎn)的一些工業(yè)應(yīng)用中，如紡織印染業(yè)，要求電動機反應(yīng)速度要快，其反應(yīng)時間不得大于 秒，電動機要能長期地、連續(xù)地、頻繁地處于正、 反轉(zhuǎn)交替變換的工作 狀態(tài)，電動機要有能在較寬廣的范圍內(nèi)無級調(diào)速的性能，電動機能長期地在濕、熱的環(huán)境中 工作。 還有在要求轉(zhuǎn)速高度穩(wěn)定的一些工業(yè)應(yīng)用中，如化纖行業(yè)，開關(guān)磁阻調(diào)速電動機具有良 好的同步性能，而且不存在電刷磨損（如直流電動機）或恒磁體退化（如永磁同步電動機）的問題，可長期可靠工作。 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 6 利用開關(guān)磁阻調(diào)速電動機恒轉(zhuǎn)矩特性好、動態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)點，將其應(yīng)用于數(shù)控機床主軸直驅(qū)系統(tǒng)，取得了成功。 空調(diào)、冰箱、洗衣機等家電發(fā)展的總趨勢是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的電動機來取代 無 調(diào)速的電動機。而在性價比上開關(guān)磁阻調(diào)速電動機系統(tǒng)還占有一定的優(yōu)勢。國外已將 SRD 在電瓶車、鏟車、無軌電車、電動轎車、城市輕軌列車等方面進(jìn)行廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢已經(jīng)明顯凸現(xiàn)出來，國內(nèi)這方面的研究開發(fā)也已取得了顯著的成效。 開關(guān)磁阻調(diào)速電動機還可以用在其他許多領(lǐng)域，這需要相關(guān)人士更多的努力。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2 開關(guān)磁阻電動機的原理 與控制 開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)原理 SR 電機在結(jié)構(gòu)上與步進(jìn)電機相似，運行原理遵循 “磁阻最小原理 ”，即磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，當(dāng)鐵心與磁場的軸線不重合時，便會有作用力將鐵心拉到磁場的軸線上來。這是 SR電機與步進(jìn)電機的相似之處，但是在以下兩方面 SR 電機不同于步進(jìn)電機 。有位置閉環(huán)控制就不會失步。因此， SR 電機要突出速度控制和實現(xiàn)系統(tǒng)高效率，故其設(shè)計思路大不相同。通常轉(zhuǎn)子的極數(shù)比定子極數(shù)少 2 個，少于三相的 SR 電機沒有自起動能力，因此，對于要求自起動、四象限運行的驅(qū)動場合，應(yīng)優(yōu)選表 21 所示的結(jié)構(gòu)類型。 電動機相數(shù)定轉(zhuǎn)子極數(shù)與 步進(jìn)角之間關(guān)系如下表 21 所示。 在第一類電機中，運動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果。類似于兩個磁鐵的同極相斥、異極相吸 的現(xiàn)象。而 在第二類電機中，運動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時，便會有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)距使其趨向于磁阻最小的位置，即兩軸線重合位置。開關(guān)磁阻電機就屬于這一類型的電機。如圖 21 所示，具 體工作過程如下 : 圖 21 開關(guān)磁阻電機的典型結(jié)構(gòu)原理圖 圖 21 畫出了 A 相繞組及其供電電路，其余各相與此相相同。在圖 22 示位置，當(dāng)定子一極受到勵磁時，電機內(nèi)建立以定子對角線為軸線的磁場，其磁通經(jīng)過定子扼、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛閉合。當(dāng)轉(zhuǎn)子極軸線與定子極軸線重合時，此相勵磁繞組的電感達(dá)到最大值，轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定平衡位置，切向磁力消失，如果轉(zhuǎn)子上無外部驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，則需要將下一相導(dǎo)通，以維持轉(zhuǎn)距，如此逐相導(dǎo)通，電機將連續(xù)轉(zhuǎn)動作電動機運行。 為了更加清楚地理解開關(guān)磁阻電機的基本原理，本文將開關(guān)磁阻電機與步進(jìn)電機和自整步同步電機作了比較，見表 22。 表 22 開關(guān)磁阻電機與三種類似電動機比較 開關(guān)磁阻電動機的基本方程 SR 電機的工作原理和結(jié)構(gòu)都比較簡單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點、磁路和電路的非線性、開關(guān)性，使得電機的各個物理量隨 轉(zhuǎn)子位置作周期性變化，定子繞組電流和磁通波形極不規(guī)則，傳統(tǒng)電機的性能分析方法難以簡單地 用于 SR 電機計算，不過 SR電機內(nèi)部的電磁過程仍然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定率等基本的電磁關(guān)系上，并可由此寫出 SR 電機的基本平衡方程式。都各相的通電順序得到正反轉(zhuǎn) 位置和速度的閉環(huán)控制，不單是功率型驅(qū)動電機 相同點 開關(guān)磁阻電機 自整步電機 都采用轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制的自控變頻器供電 轉(zhuǎn)子需勵磁定子多組交流電勵磁 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 10 電機第 j 相的電動勢平衡方程式： dtdIRU jjjj ??? 在 SR 電機中，各相繞組的磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位移角和各相繞組電流的函數(shù)，故磁鏈為： )。 當(dāng)電動機電磁轉(zhuǎn)矩 T 與作用于電機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相符時，轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化 產(chǎn)生角加速度 dtd? ，根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出這時的轉(zhuǎn)矩平衡方程式 LTKdtdJT ????? ? 由于電路、磁路的非線性和開關(guān)性，使得上述方程組很難計算，通常需要根據(jù)具體運行狀態(tài)和研 究目的進(jìn)行必要的簡化，一般都采用線性模型進(jìn)行簡化，線性模型有利于 對 SR 電 機的定性分析了解其運行的物理狀況、內(nèi)部各物理量的基本特點和相互關(guān)系。 (2) 忽略所有功率損耗。 (4) 電機恒速運轉(zhuǎn)。圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角 (機械角 )，它的基準(zhǔn)點即坐標(biāo)原點 θ =0 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 的位置，對應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時相電感為最小值， 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個極距時，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對齊，電感為最大值，隨著定、轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少，相電感則在和線性地上升和下降 。雙凸極磁阻電動機的正常運行離不開可控的開關(guān)電路控制器。該系統(tǒng)的控制具有兩個 層面 :一是，電機控制層面，即通過調(diào)節(jié)電機自身的參數(shù)改變電機的運行特性，這一層關(guān)系是直接的；二是，系統(tǒng)控制層面，這個層面是將控制策略應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機及其外圍的設(shè)備 (控制器、信號檢測裝置等 )，并使之為達(dá)到某一控制目標(biāo)協(xié)同運作，這種控制是通過功率變換器間接作用在電機之上的。 SR 電機的可控變 量一般有施加于相繞組兩端的電壓 U、相電流 I、開通角和關(guān)通角等。 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 12 電流斬波控 制（ CCC）方式 開關(guān)磁 阻電機在基速 b? 以下運 行時，由于轉(zhuǎn)速較慢，旋轉(zhuǎn)電動勢較小，繞組電 流上升率較大，為避免過大的電流和磁鏈峰值，獲得恒轉(zhuǎn)矩機械特性，采用電流斬波控制（ CCC