第2章开关磁阻电机课件

第第2章开关磁阻电机及其驱动章开关磁阻电机及其驱动控制系统控制系统(SRD)2.1SRM传动系统传动系统2.2SRM基本方程与性能分析基本方程与性能分析2.3SRD的控制原理的控制原理2.4SRD的功率变换器的功率变换器2.5SRD传动系统的反馈信号检测传动系统的反馈信号检测2.6SRD控制系统原理及其实现控制系统原理及其实现2.7基于单片机的基于单片机的SRD控制系统控制系统2.8基于基于DSP的的SRD控制系统控制系统2.9开关磁阻发电机开关磁阻发电机特种电机及其控制特种电机及其控制2.1 SRD2.1 SRD传动系统传动系统2.1.1 SRDSRD传动系统的组成传动系统的组成特种电机及其控制特种电机及其控制SR电动机定、转子实际结构电动机定、转子实际结构 特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机结构与原理电机结构与原理结构特点：结构特点：1、双凸极、双凸极结构结构2、定子集、定子集中绕阻、绕中绕阻、绕组为单方向组为单方向通电通电 3、转子无、转子无绕阻绕阻特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.2 运行原理：运行原理：磁阻最小原理磁阻最小原理电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合磁场的轴线重合A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合D-D 通电通电 1-1 与与D-D重合重合依次给依次给依次给依次给A-B-C-DA-B-C-D绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转特种电机及其控制特种电机及其控制12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机特种电机及其控制特种电机及其控制1 1、依次给、依次给、依次给、依次给A-B-C-AA-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向的转向的转向的转向2 2、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距t t t tr r=360/N=360/Nr r3 3、步距角、步距角、步距角、步距角 b b=t t t tr r/m=360/(mN/m=360/(mNr r)4 4、转矩方向与电流无关、转矩方向与电流无关、转矩方向与电流无关、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。5 5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。一同使用。一同使用。一同使用。结结 论：论：特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构开关磁阻电动机的相数与结构 相数与级数关系相数与级数关系1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。定子和转子齿槽数应为偶数。2 2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。出力的重要因素。特种电机及其控制特种电机及其控制SR电动机常用的相数与极数组合电动机常用的相数与极数组合 特种电机及其控制特种电机及其控制 相数相数 3 4 5 6 7 8 9定子极数定子极数 6 8 10 12 14 16 18转子极数转子极数 4 6 8 10 12 14 16步进角步进角(度度)30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR电机常用方案电机常用方案相数与转矩、性能关系：相数与转矩、性能关系：相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能力没有自起动能力特种电机及其控制特种电机及其控制利用永磁体辅助起动的单相利用永磁体辅助起动的单相SR电动机电动机 特种电机及其控制特种电机及其控制（1）2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2）4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3）3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4）5-phase 10 stator pole/8 rotor pole特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.4 SRD特点特点1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高速电动机结构简单、成本低、适用于高速,开关磁阻电动机的结构比通常认为最简开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。单的鼠笼式感应电动机还要简单。2)2)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩方因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。个功率开关。特种电机及其控制特种电机及其控制SRD特点：特点：3)3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。电动机才能正常运转。4)4)高起动转矩，低起动电流高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。转矩是本系统的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）特种电机及其控制特种电机及其控制 SRD特点：特点：5)5)适用于频繁起停及正反向转运行适用于频繁起停及正反向转运行 SRDSRD系统具有的高起动转矩，低起动电流系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。运行时还小。6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种法至少有四种:相开通角相开通角,相关断角相关断角,相电流幅值相电流幅值,相绕组电压。相绕组电压。特种电机及其控制特种电机及其控制7)7)效率高，损耗小效率高，损耗小 SRDSRD系统是一种系统是一种非常高效的调速系统。非常高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求足各种特殊使用要求 。9)9)缺点：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但但可通过特殊设计克服可通过特殊设计克服 SRD特点：特点：特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.5 SRD发展概况发展概况7.5 kW 7.5 kW、1500 r/min1500 r/min几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较 特种电机及其控制特种电机及其控制航空工业航空工业 家用电器家用电器 机械传动机械传动 精密伺服系统精密伺服系统 电动车电动车 2.1.6 SRD的应用与研究动向的应用与研究动向应应用用特种电机及其控制特种电机及其控制SRD的研究方向的研究方向vSR电机设计研究：电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论vSR电机的控制策略研究：电机的控制策略研究：最优控制，减小转矩脉动、降低噪声最优控制，减小转矩脉动、降低噪声具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略智能控制策略vSR电机的无位置传感器控制电机的无位置传感器控制vSR电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究v无轴承无轴承SR电机研究（磁悬浮）电机研究（磁悬浮）vSR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等特种电机及其控制特种电机及其控制2.2 SR电机基本方程与性能分析电机基本方程与性能分析不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相相SR电电机系统示意图机系统示意图 J转转子与负载的转动惯量子与负载的转动惯量 D粘粘性摩擦系数性摩擦系数 TL负负载转矩载转矩特种电机及其控制特种电机及其控制电路方程电路方程第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程:特种电机及其控制特种电机及其控制磁链方程磁链方程所以：所以：电阻压降电阻压降变压器电动势变压器电动势变压器电动势变压器电动势运动电动势运动电动势运动电动势运动电动势(转子位置改变转子位置改变转子位置改变转子位置改变)特种电机及其控制特种电机及其控制机械运动方程：机械运动方程：式中式中式中式中T T T Te e e e电磁转矩；电磁转矩；电磁转矩；电磁转矩；J J J J系统的转动惯量；系统的转动惯量；系统的转动惯量；系统的转动惯量；k k k k 摩擦系数；摩擦系数；摩擦系数；摩擦系数；T TL L负载转矩。负载转矩。负载转矩。负载转矩。特种电机及其控制特种电机及其控制 电磁转矩：电磁转矩：磁共能的表达式为：磁共能的表达式为：Y-Y-iSRSR电机的瞬时电磁转矩电机的瞬时电磁转矩T Te e可由磁共能可由磁共能W Wc c导出：导出：SRSR电机的平均电磁转矩电机的平均电磁转矩T Tavav特种电机及其控制特种电机及其控制2.2.2基于理想线性模型的基于理想线性模型的SR电动机分电动机分析析 线性模型线性模型线性模型线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，此时电感只与转子位置有关此时电感只与转子位置有关 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化特种电机及其控制特种电机及其控制stator =1位置位置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 1特种电机及其控制stator=0o位置位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合=0o特种电机及其控制特种电机及其控制stator =2位位置置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 2特种电机及其控制特种电机及其控制stator =3位置位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor 3特种电机及其控制特种电机及其控制stator =4位位置置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 4特种电机及其控制特种电机及其控制stator =5位位置置rotor转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 5特种电机及其控制特种电机及其控制 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 1(5)转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机绕组电感的分段线性解析式：电机绕组电感的分段线性解析式：K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s特征：特征：特征：特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在在在在L Lmax max 和和和和L Lminmin之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化 。Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。特种电机及其控制特种电机及其控制同时可以导出：同时可以导出：KT为常数为常数特种电机及其控制特种电机及其控制 on 2:电感上升，使绕组电感上升，使绕组电流下降电流下降 off 3:在电感达最大之前，绕组在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。关断，绕组续流。3 z 4(zz=2=2offoff-onon)在电感下降之前，续流结在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩束。否则会产生反向转矩典型电流波形典型电流波形特种电机及其控制特种电机及其控制不同开通角下电流波形特点：特点：开通角越开通角越小，电流小，电流幅值越大，幅值越大，续流时间续流时间越长。越长。特种电机及其控制特种电机及其控制不同关断角下电流波形特种电机及其控制特种电机及其控制变化趋势：变化趋势：结构一定，在结构一定，在onon和和offoff不变时，不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。的电磁转矩增大。影响绕组电流的因素影响绕组电流的因素：外加电源电压外加电源电压UsUs、角、角速度速度r r、开通角、开通角onon、关断角、关断角offoff、最大电、最大电感感Lmaxmax、最小电感、最小电感Lminmin、定子极弧、定子极弧s s等。等。线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。特种电机及其控制特种电机及其控制在相电流为理想平顶波的情况下，在相电流为理想平顶波的情况下，SR电机电机平均电磁转矩平均电磁转矩Tav的解析式的解析式 当当SRSR电电动动机机运运行行在在电电流流值值很很小小的的情情况况下下，磁磁路路不不饱饱和和，电电磁磁转转矩矩与与电电流流平平方方成成正正比比；当当运运行行在在饱饱和和情情况况下下，电电磁磁转转矩矩与与电电流流的的一一次次方方成成正正比比。这这个个结结论论可可以以作作为为制制定定控控制策略的依据。制策略的依据。特种电机及其控制特种电机及其控制1)on 是控制转矩的重要参数：是控制转矩的重要参数：一定时，若一定时，若开通角开通角 on较小，相电流直线上升时间较长，较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩从而增大电流，提高转矩。2)在在 on一定时，增大一定时，增大 off,平均转矩也相应增大。平均转矩也相应增大。但导通角但导通角 c=off-on有一个最佳值，超过此值，有一个最佳值，超过此值，c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减小。讨论：讨论：特种电机及其控制特种电机及其控制2.3 SR电机的控制原理电机的控制原理SR电机固有机械特性：电机固有机械特性：F为以电机结构参数为以电机结构参数(m，Nr，2，Lmax，Lmin)和和控制参数控制参数(on,off)为变量的函数为变量的函数整理得：整理得：对一定电机，结构参数一定。如对一定电机，结构参数一定。如Us、on、off一定，则一定，则电机的固有机械特性电机的固有机械特性为：为：Tav=k/2 P=k/特种电机及其控制特种电机及其控制 SR电动机的基本机械特性电动机的基本机械特性 特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机的基速电机的基速vSR电机的固有机械特性类似与直流电机电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。的串励特性。v对给定对给定SR电机，在最高电压电机，在最高电压Us和最大允和最大允许电流条件下，存在一个临界角速度。即许电流条件下，存在一个临界角速度。即SR电机得到最大转矩的最高角速度，称电机得到最大转矩的最高角速度，称为为基速基速。特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机控制策略：电机控制策略：*基速以下，电流斩波控制基速以下，电流斩波控制(CCC)，输出恒转矩，输出恒转矩可控量为：可控量为：Us、on、off控制法控制法1：固定：固定 on,off，通过电流斩波限，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩制电流，得到恒转矩控制法控制法2：固定：固定 on,off，由速度设定值和，由速度设定值和实际值之差调制实际值之差调制Us，进而改变转矩，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率特种电机及其控制特种电机及其控制设定电流上、下幅值的斩波图设定电流上、下幅值的斩波图 特种电机及其控制特种电机及其控制设定电流上限和关断时间斩波图设定电流上限和关断时间斩波图 特种电机及其控制特种电机及其控制PWM斩波调压控制的电流波形斩波调压控制的电流波形 特种电机及其控制特种电机及其控制APC运行时运行时Tav与与 on、off的关系的关系 特种电机及其控制特种电机及其控制控制方式的合理选择控制方式的合理选择 特种电机及其控制特种电机及其控制电流斩波控制方式具有如下特点：电流斩波控制方式具有如下特点：v适用于低速和制动控制。适用于低速和制动控制。v转矩平稳。转矩平稳。v适合于用作转矩调节系统。适合于用作转矩调节系统。v用作调速系统时动态响应速度慢。用作调速系统时动态响应速度慢。角度位置控制方式具有如下特点：角度位置控制方式具有如下特点：v转矩调节范围大。转矩调节范围大。v电动机效率高。电动机效率高。v不适用于低速。不适用于低速。特种电机及其控制特种电机及其控制2.4 SRM 功率变换器功率变换器v功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着将电能分配到SRM绕组中的作用，同时接受控制器的控制。v由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要单极性供电的功率变换器。功率变换器应能迅速从电源接受电能，又能迅速向电源回馈能量。特种电机及其控制特种电机及其控制对功率变换器主电路的要求对功率变换器主电路的要求（1）较少数量的主开关元件；）较少数量的主开关元件；（2）可可将将全全部部电电源源电电压压加加给给电电动动机机相相绕绕组；组；（3）主主开开关关器器件件的的电电压压额额定定值值与与电电动动机机接近；接近；（4）具备迅速增加相绕组电流的能力；）具备迅速增加相绕组电流的能力；（5）可可通通过过主主开开关关器器件件调调制制，有有效效地地控控制相电流；制相电流；（6）能将能量回馈给电源。）能将能量回馈给电源。特种电机及其控制特种电机及其控制2.4.1 主电路常见形式主电路常见形式1、双开关型、双开关型每相有两只主开关每相有两只主开关和两只续流二极管和两只续流二极管。当两只主开关当两只主开关VTVT1 1和和VTVT2 2同时导通时，同时导通时，电源电源U US S 向电机相向电机相绕组供电绕组供电 ；当当VTVT1 1和和VTVT2 2同时关断时，同时关断时，将电机的磁场储能将电机的磁场储能以电能形式迅速回以电能形式迅速回馈电源，实现强迫馈电源，实现强迫换相。换相。特种电机及其控制特种电机及其控制双开关型电路特点：双开关型电路特点：1）适用于任意相数）适用于任意相数SR电机电机2 2）相控独立性：独立）相控独立性：独立3 3）相电压）相电压=电源电压电源电压4 4）器件数量多）器件数量多 特种电机及其控制特种电机及其控制三相三相SR电机常采用双开关型主电路电机常采用双开关型主电路双开关型主电路又称为不对称半双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路桥型主电路特种电机及其控制特种电机及其控制双绕组型电路特点双绕组型电路特点主开关主开关S1S1导通时，导通时，电源对主绕组电源对主绕组A A供供电；电；当其关断时，当其关断时，靠磁耦合将主绕靠磁耦合将主绕组组A A的电流转移到的电流转移到副绕组，通过二副绕组，通过二极管极管D1D1续流，向续流，向电源回馈电能，电源回馈电能，实现强迫换相。实现强迫换相。早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。特种电机及其控制特种电机及其控制2 2、双绕组型、双绕组型 缺点：缺点：1 1）由于主、副绕组之）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，间不可能完全耦合，在在S1S1关断的瞬间，因关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰上会形成较高的尖峰电压，故电压，故S1S1需要有良需要有良好的吸收回路。好的吸收回路。2 2）由于采用主、副两）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。耗增加、体积增大。优点：优点：适用于任何相数的适用于任何相数的SRMSRM，尤其适宜于低压直流电源，尤其适宜于低压直流电源供电场合供电场合特种电机及其控制特种电机及其控制3 3、电容分压型、电容分压型（电源分裂式）（电源分裂式）两个相串联的电容两个相串联的电容C1和和C2将电源电压一分为二将电源电压一分为二,构成中构成中点电位。每相只有一个主开关点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管和一只续流二极管D。当当S1导通时，上导通时，上侧电容侧电容C1对对A相相绕组放电，电源绕组放电，电源对对A相供电，经相供电，经下侧电容下侧电容C2构成构成回路；当回路；当S1关断关断时，时，A相电流经相电流经D1续流，向下侧续流，向下侧电容电容C2充电。充电。特种电机及其控制特种电机及其控制电容分压型电路的特点电容分压型电路的特点1）只适用于偶数）只适用于偶数相相SR电机电机2）主开关数较少）主开关数较少3）相控独立性：）相控独立性：不独立不独立4）电源利用率低，）电源利用率低，每相电压为电源电每相电压为电源电压的压的1/2。5）需限制中点电）需限制中点电位漂移位漂移特种电机及其控制特种电机及其控制4、H桥型桥型 该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它它要要求求每每一一瞬瞬间间必必须须上上、下下各各有一相导通。有一相导通。工作制：工作制：AB-BC-CD-DA特种电机及其控制特种电机及其控制H桥型电路的特点桥型电路的特点1）只适用于）只适用于4的倍数相的倍数相SR电机电机2）主开关数较少）主开关数较少3）相控独立性：不独立）相控独立性：不独立4）相绕组电压浮动）相绕组电压浮动5 5）本电路特有的优点）本电路特有的优点:可以实现零压续流，可以实现零压续流，提高系统的控制性能。提高系统的控制性能。H桥型电路为桥型电路为4相相SR电机最常电机最常用的主电路形式用的主电路形式特种电机及其控制特种电机及其控制2.6 SRD控制系统实现控制系统实现SRD控制系统原理图控制系统原理图特种电机及其控制特种电机及其控制2.7 基于单片机的基于单片机的SRD控制系统控制系统特种电机及其控制特种电机及其控制2.8 基于基于DSPDSP的的SRDSRD控制器控制器特种电机及其控制特种电机及其控制基于基于DSP的的SRD系统硬件介绍系统硬件介绍1）控制器：）控制器：TMS320F2407核心核心-实现数字控实现数字控制制DSP 具具有有PWM发生单元，可产生发生单元，可产生16路路PWM 信号信号;DSPDSPDSPDSP最小系最小系最小系最小系统还统还包括包括包括包括32K32K的的的的16 16 位快速位快速位快速位快速RAMRAM、20MHz 20MHz 时钟电时钟电路、看路、看路、看路、看门门狗狗狗狗电电路、路、路、路、电压监测电压监测及复位及复位及复位及复位电电路、与路、与路、与路、与上位机上位机上位机上位机进进行通信的行通信的行通信的行通信的RS232 RS232 通信通信通信通信电电路路路路。给定速度通过给定速度通过给定速度通过给定速度通过DSPDSP的的的的ADCADC模块输入，实际速度由位置传模块输入，实际速度由位置传模块输入，实际速度由位置传模块输入，实际速度由位置传感器来检测、通过捕获单元输入。感器来检测、通过捕获单元输入。感器来检测、通过捕获单元输入。感器来检测、通过捕获单元输入。DSPDSP利用利用利用利用PIPI算法通过算法通过算法通过算法通过比较单元和比较单元和比较单元和比较单元和PWMPWM发生单元输出发生单元输出发生单元输出发生单元输出PWMPWM信号，信号，信号，信号，PWMPWM信号信号信号信号经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、关，实现关，实现关，实现关，实现SRMSRM闭环调速。闭环调速。闭环调速。闭环调速。特种电机及其控制特种电机及其控制基于基于DSP的的SRD系统硬件介绍系统硬件介绍2）位置信号位置信号输入入电路路：光光电传感器反感器反馈转子位子位置信号。通置信号。通过F2407 的捕的捕获单元元(CAP14 4)对脉冲信号脉冲信号进行行实时检测来来实现对转子位置信号子位置信号的的检测。3)转速速计算：算：CAP 单元不元不仅能能检测信号的信号的变化化,而且而且还能能记录两次信号两次信号变化的化的时间间隔隔，由此由此可以确定可以确定电机机转子的位置子的位置,并可并可计算出算出电机的机的实际运行速度运行速度，进而准确地控制各相的开通和关而准确地控制各相的开通和关断断。特种电机及其控制特种电机及其控制基于基于DSP的的SRD系统硬件介绍系统硬件介绍4)电流流检测电路路:使用磁使用磁场平衡式霍平衡式霍尔检测器器(LEM 模模块)来来检测电机的三相机的三相电流。流。LEM的的输出一方面出一方面输入到入到F240 的的A/D 转换口口,转换成成数字信号后用以控制数字信号后用以控制电流流斩波限波限;一方面一方面输入入到保到保护电路路,实现对功率功率变换器主开关的器主开关的过流流保保护。5)键盘、显示示电路路:F240 有独立的有独立的I/O 空空间和和总线。用线。用I/O 口组成矩阵式键盘口组成矩阵式键盘,通过串行外通过串行外设接口设接口(SPI)(SPI)显示运行状态。显示运行状态。特种电机及其控制特种电机及其控制2.10 2.10 开关磁阻发电机开关磁阻发电机SRG系统组成系统组成特种电机及其控制特种电机及其控制双开关型双开关型双开关型双开关型SRSRSRSR发电机主电路发电机主电路发电机主电路发电机主电路 -他励式他励式他励式他励式 特种电机及其控制特种电机及其控制双开关型双开关型双开关型双开关型SRSRSRSR发电机主电路发电机主电路发电机主电路发电机主电路-自励式自励式自励式自励式 特种电机及其控制特种电机及其控制(a)(a)励磁状态励磁状态 (b)(b)发电状态发电状态SRSR发电机一相绕组等效电路发电机一相绕组等效电路特种电机及其控制特种电机及其控制开关磁阻发电机的典型相电流波形开关磁阻发电机的典型相电流波形 特种电机及其控制特种电机及其控制SRD的应用的应用v电机制造成本低 v转子结构简单，没有绕组和永磁磁钢v调速范围宽，效率高v具有故障容错能力v很强的高温环境适应能力SRD的特点的特点特种电机及其控制特种电机及其控制SRD LtdSRD LtdSRD LtdSRD Ltd公司生产的开关磁阻电机公司生产的开关磁阻电机公司生产的开关磁阻电机公司生产的开关磁阻电机系列：系列：系列：系列：100W-75W100W-75W100W-75W100W-75W，250-30000rpm 250-30000rpm 250-30000rpm 250-30000rpm 特种电机及其控制特种电机及其控制在电动车中的应用在电动车中的应用30kW30kW30kW30kW开关磁阻电机驱动的有轨电车开关磁阻电机驱动的有轨电车开关磁阻电机驱动的有轨电车开关磁阻电机驱动的有轨电车 特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制 图图图图(a)(a)(a)(a)为为为为美美美美国国国国TrideltaTrideltaTrideltaTridelta工工工工业业业业公公公公司司司司开开开开发发发发的的的的开开开开关关关关磁磁磁磁阻阻阻阻电电电电机机机机驱驱驱驱动动动动的的的的助助助助力力力力车车车车，原原原原动动动动力力力力为为为为小小小小型型型型汽汽汽汽油油油油发发发发动动动动机机机机。图图图图(b)(b)(b)(b)为为为为美美美美国国国国EMBEMBEMBEMB公公公公司司司司开开开开发发发发的的的的两两两两相相相相开开开开关磁阻电机驱动的电动摩托车。关磁阻电机驱动的电动摩托车。关磁阻电机驱动的电动摩托车。关磁阻电机驱动的电动摩托车。特种电机及其控制特种电机及其控制开开关关磁磁阻阻电电机机在在电电动动车车中中的的成成功功应应用用充分体现出其所具有的明显优点：充分体现出其所具有的明显优点：v效率高，并且能够在很宽的功率和转速范围内保持高效率。效率高，并且能够在很宽的功率和转速范围内保持高效率。v可以通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的能可以通过采用适当的控制策略和系统设计满足电动车四象限运行的能力。力。v电机的绝大部分损耗集中在定子上，使电机易于冷却，散热特性好，电机的绝大部分损耗集中在定子上，使电机易于冷却，散热特性好，因此功率密度高。因此功率密度高。v通过调整开通角和关断角，可以达到他励直流电机驱动系统的控制特通过调整开通角和关断角，可以达到他励直流电机驱动系统的控制特性性v电机绕组如开关器件串联，不会出现直通故障，可靠性高，维护少，电机绕组如开关器件串联，不会出现直通故障，可靠性高，维护少，适用于各种恶劣、高温环境。适用于各种恶劣、高温环境。特种电机及其控制特种电机及其控制在食品加工机械中的应用在食品加工机械中的应用v体积小。体积小。v不烧电机不烧电机v没有或只有小的齿轮减速比。没有或只有小的齿轮减速比。v外形设计灵活，适应性好（扁平或细长）。外形设计灵活，适应性好（扁平或细长）。v安全停机。安全停机。v速度离散可选或连续可调。速度离散可选或连续可调。v易实现特殊要求的机械特性（软件编程）。易实现特殊要求的机械特性（软件编程）。在在在在食食食食品品品品加加加加工工工工机机机机械械械械中中中中，开开开开关关关关磁磁磁磁阻阻阻阻电电电电机机机机显显显显现现现现出其独特的优势。出其独特的优势。出其独特的优势。出其独特的优势。特种电机及其控制特种电机及其控制在洗衣机中的应用在洗衣机中的应用使用开关磁阻电机的洗衣机具备的优点：使用开关磁阻电机的洗衣机具备的优点：使用开关磁阻电机的洗衣机具备的优点：使用开关磁阻电机的洗衣机具备的优点：v很低的洗涤速度。很低的洗涤速度。v良好的衣物分布性。良好的衣物分布性。v快速安全停机。快速安全停机。v软启动。软启动。v电流限幅。电流限幅。v最大速度高，低速转矩大。最大速度高，低速转矩大。v机械特性易调整。机械特性易调整。特种电机及其控制特种电机及其控制在洗衣机中的应用在洗衣机中的应用 滚筒洗衣机用滚筒洗衣机用滚筒洗衣机用滚筒洗衣机用700W700W700W700W开关磁阻电机的机械特性。开关磁阻电机的机械特性。开关磁阻电机的机械特性。开关磁阻电机的机械特性。特种电机及其控制特种电机及其控制其他领域中的应用其他领域中的应用 煤矿直立槽截煤机用煤矿直立槽截煤机用煤矿直立槽截煤机用煤矿直立槽截煤机用35kW35kW35kW35kW水冷开关磁阻电机水冷开关磁阻电机水冷开关磁阻电机水冷开关磁阻电机特种电机及其控制特种电机及其控制v起、制动平滑。起、制动平滑。v工作转速高，产生镜面磨光效工作转速高，产生镜面磨光效果。果。v速度保护保证磨光的一致性。速度保护保证磨光的一致性。v结构简单、成本低，使用寿命结构简单、成本低，使用寿命长长v效率由原系统的效率由原系统的55%55%提高到提高到75%75%。v体积小、重量轻，操作容易。体积小、重量轻，操作容易。特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制