开关磁阻电机及其控制系统课件

开关磁阻电机及其控制系统开关磁阻电机及其控制系统1SRD系统的一些应用SRD系统的一些应用2开关磁阻电机及其控制系统课件3开关磁阻电机及其控制系统课件4SR电动机动作原理图SR电动机动作原理图5 某三相SR电动机典型功率变换器主电路某三相SR电动机典型功率变换器主电6 某典型控制器硬件电路原理框图某典7形象的说，SRD系统的几大部分，控制器好比人的大脑，功率变换器与电动机一起相当于人的四肢，人劳动需要能量（电源），劳动之前需要一定的计划、要求（转速给定），劳动的对象即负载。检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息从而确定各相绕组的开通与关断，一般在电机内部会有几只判断转子实时位置的传感器，位置传感器的目的在于确定开关磁阻电动机定、转子的相对位置，即要用绝对位置传感器检测转子相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，以确定对应相绕组的通断；通过电流传感器提供电流信息给控制器，来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。形象的说，SRD系统的几大部分，控制器好比人的大脑，8SRD系统与其他系统的比较SRD系统与反应式步进电机系统的主要差别 SRD 系 统 反应式步进电机系统利用转子位置反馈信号运行于自同步状态，相绕组电流导通时刻与转子位置有严格的对应关系,并且绕组电流波形的前后沿可以分别独立控制，即电流脉冲宽度可以任意调节。多用于功率驱动系统，对效率指标要求很高，功率等级至少可达到数百千瓦，甚至数千千瓦，并可运行于发电状态工作于开环状态，无转子位置反馈。多用于伺服控制系统，对步距精度要求很高，对效率指标要求不严格，只作电动状态运行。可控参数多，既可调节主开关管的开通角和关断角，也可采用调压或限流斩波控制一般只通过调节电源步进脉冲的频率来调节转速SRD系统与其他系统的比较SRD系统与反应式步进电机系统9SR电机与反应式同步磁阻电机的主要差别 SR 电 机 反 应 式 同 步 磁 阻 电 机定、转子均为双凸极结构定子为齿、槽均匀分布的光滑内腔定子绕组是集中绕组定子嵌有多相绕组，近似正弦分布励磁是顺序施加在各相绕组上的电流脉冲励磁是一组多相平衡的正弦波电流各相励磁随转子位置作三角波或梯形波变化，不随电流改变各相自感随转子位置作正弦变化，不随电流改变SR电机与反应式同步磁阻电机的主要差别SR10 同功率（7.5kw）SRD系统与异步电动机系统性能比较性 能 参 数SR电动机普通异步电动机高效率异步电动机定子直径（mm）205221221铁心长度（mm）17995140转矩/定子体积（kNm/m）8.6811.27.56转矩/转动惯量（kNm/kgm）3.741.591.07转矩/电磁重量（Nm/kg）1.431.521.02转矩/铜重（Nm/kg）6.937.725.93电动机效率（）88.385.089.8系统效率（）85.7峰值伏安容量（kVA/kW）11.211.410.4有效值伏安容量（kVA/kW）5.504.744.26同功率（7.5kw）SRD系统与异步电动机系统性能比较SR11SRD系统与直流和PWM变频调速系统性能比较 系统类型比较项目 直流系统PWM变频系统SRD系统成 本1.01.51.0效 率额定转速7677831/2额定转速656580电动机容量/体积1.00.91.0控制能力1.00.50.9控制电路复杂性1.01.81.2可靠性1.60.91.1噪声/dB657272SRD系统与直流和PWM变频调速系统性能比较直流系统PWM变128.2开关磁阻电动机的控制方式SRD系统的控制方式是指电动机运行时如何通过一定的控制参数进行电机的控制，使得电动机达到给定的转速值、转矩值等运行工况，并保持较高的效率。和大多数其他电动机不同，SRD系统中，可以说，没有控制就没有SR电机，因为没有对电机绕组通电顺序的选择与控制，电机是不会运行的，不像其他电机，即使没有控制装置，电机是可以启动运行的，只不过其运行的方式一般比较单一，可控性差而已。8.2开关磁阻电动机的控制方式SRD系统的控制方式是13定、转子相对位置及相绕组电感曲线定、转子相对位置及相绕组电感曲线14 上式表明，电源电压与电路中三部分电压降相平衡。其中，等式右端第一项为K相回路中电阻的压降；第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势，所以称为变压器电动势；第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应得电动势，所以称为运动电势，它直接影响机电能量的转换。数学模型：（电压方程）上式表明，电源电压与电路中三部分电压降相平衡。其中，等15 SR电动机运行特性SR电16 CCC方式下的斩波电流波形CCC方式17 角度位置控制时相电流波形角度位置控制时相电流波形18 不同开通角下的相电流波形不同开通角下的相电19 电压PWM控制时的相电流波形电压PWM控制时的相电流波形20基于模糊控制算法的系统控制方式基于模糊控制算法的系统控制方式218.3SRD系统功率变换器功率变换器是SR电动机运行时所需能量的供给者，也是电机绕组通断指令的执行者。SR电动机的功率变换器相当于PWM变频调速异步电动机的变频器一样，在调速系统中占有重要地位，功率变换器设计是提高SRD系统性能价格比的关键之一。由于SR电动机工作电压、电流波形并非正弦波，且波形受系统运行条件及电机设计参数的制约，变化很大，难以准确预料，因此，SR电动机功率变换器的设计是与SR电动机、控制器的设计密切相关的。SRD系统的功率变换器主要由主开关器件及其主电路、主开关驱动电路、保护电路、稳压电源电路等组成。8.3SRD系统功率变换器功率变换器是S22 最少主开关型主电路最少主开关23SRD功率变换器设计实例1.设计依据与原则给定SRD原始数据如下：定转子极数比：8/6（四相）额定电压：260V（DC）额定转速：1500r/min额定功率：5.5KW控制方式：变角度电压PWM斩波控制调速范围：502000r/minSRD功率变换器设计实例24 系统功率变换器实用主电路系统功率变换器实用主电路25 驱动集成电路-EXB841应用电路驱动集成电路-E268.4 开关磁阻电动机控制器开关磁阻电动机控制器控制器好比SRD系统的神经中枢、大脑，它接收电机的转子位置信号、绕组电流信号、外围给定信号，给出电机每相绕组的通断信号，计算电机的转速等。8.4开关磁阻电动机控制器控制器好比SRD27控制器框图控制器框图28中央处理芯片一般采用数字信号处理器（DSP）来实现，TMS320LF2XXX系列的DSP为当前的主要款型，从上图这个典型控制器原理控制可以看出，DSP负责判断转子的位置信息，并综合各种保护信号和给定信息、转速情况，给出相通断信号,以及产生一路定频调宽的PWM信号以利于使用PWM控制方式。最后通过逻辑综合将信号传递给功率变换器中主开关器件的驱动电路，以便通过主开关的通断来进行电机绕组的通断控制。中央处理芯片一般采用数字信号处理器（DSP）来实现，TM29电流限幅电路电流限幅电路30角度位置信号倍频电路角度位置信号倍频电路31PWM调理电路PWM调理电路32PWMPWM1PWM2PWMPWM1PWM233欠压保护电路欠压保护电路34 GAL逻辑综合电路GAL逻辑35对于U1，输入信号PHASE1-6为从DSPI/O口输出的相通断信号，它与经过PWM调理后的PWM1、PWM2，以及限幅电路的输出CHOPIA、CHOPIB，经GAL逻辑综合，得到六路针对六只主开关管的通断驱动信号，其逻辑关系如下：DRIVE1=PHASE1*PWM2DRIVE2=PWM1*CHOPIA*PHASE2+PWM1*CHOPIB*PHASE2DRIVE3=PHASE3*PWM2DRIVE4=PHASE4*PWM2DRIVE5=PWM1*CHOPIA*PHASE5+PWM1*CHOPIB*PHASE5DRIVE6=PHASE6*PWM2U2分为两部分，一是S1、S2两路转子位置信号经过异或逻辑后产生一路S信号，如图8.32，此S信号再经倍频电路后用于角度位置控制的时基。二是DSP的两路输出引脚，/PS和/DS，他们是外扩程序和数据存储器的片选，他们经过“与”后给外扩存储器的片选引脚。他们的逻辑关系如下：S=S1*/S2+/S1*S2/CS=/PS*/DS对于U1，输入信号PHASE1-6为从DSPI36SRD系统软件设计软件设计按照采用DSP（TMS320F240）C语言编程，实现模块化设计的方法，增加了程序的可读性和移植性。对于本系统而言，控制软件应满足如下设计要求：1)系统采用模糊控制，输出为变角度的电压PWM驱动信号；2)实现电机的实时双相绕组同时通电启动与运行；3)能够接收、判断外部的故障信号和保护信号并且采取相应的保护措施。程序主要利用TMS320F240的事件管理模块、I/O模块、A/D转换模块等。软件程序主要组成模块有：主程序、捕获中断程序、测速子程序、运行子程序、相判断子程序、模糊调速子程序、通用定时器2周期中断子程序等。SRD系统软件设计软件程序主要组成模块有：主程37 主程序流程主程序流程38 运行子程序流程图运行子程序流程图39 相通断角计算子程序流程图相通断角计算子40捕获中断子程序流程图捕获中断子程序流程图41通用定时器2周期中断子程序流程图通用定时器2周期中断子程序流程图428.5开关磁阻发电机（SwitchedReluctanceGenerator，简称SRG）SR电机作为发电机运行也非常有特色，目前以美国GE（通用电气）公司为代表的航空电气界，从上世纪八十年代后期对开关磁阻电机作为航空起动/发电机开始可行性探索，单机功率最大达到250KW，输出电压为270V，其电压品质满足国际标准；由美国著名军火公司洛克马丁公司研制的美国空军新一代联合攻击战斗机，机上也采用了80KW（270VDC）的开关磁阻起动/发电机。近些年来，在风力发电领域，开关磁阻风力发电机也开始受到重视，有一定的应用实践。8.5开关磁阻发电机（SwitchedReluctanc43与其它发电机相比，开关磁阻发电机具有独特的结构特点:(1)结构简单其定、转子均为简单的叠片式双凸极结构，定子上绕有集中绕组，转子上无绕组及永磁体；(2)容错能力强无论从物理方面还是从电磁方面来讲，电机定子各相绕组间都是相互独立的，因而在一相甚至两相故障的情况下，仍然能有一定功率的电能输出；(3)可以作成很高转速的发电装置，从而达到很高的能量流密度。与其它发电机相比，开关磁阻发电机具有独特的结构特点:(44开关磁阻电动机/发电机模式示意图开关磁阻电动机/发电机模式示意图45a 励磁阶段电流流向b 发电阶段电流流向SRG电路工作示意图a励磁阶段电流流向b发电阶段电流流向SRG电路工作示意图46 SRG系统的一般构成SRG系统的一般构成47结束结束结束48开关磁阻电机及其控制系统课件49开关磁阻电机及其控制系统课件50开关磁阻电机及其控制系统课件51