開關磁阻電機控制技術課件講解

學習情境十開關磁阻電機及其控制技術寶馬有一款新的純電動汽車使用的是一款開關磁阻電機，最近該電機出現(xiàn)了故障，需要你去對電機進行檢查。請你總結一下開關磁阻電機的結構及其控制技術。學習情景描述學習目標1.了解開關磁阻電機的基本結構；2.掌握開關磁阻電機的工作原理；3.了解開關磁阻電機的控制技術；4.掌握開關磁阻電機的特點與應用。工作任務1.在教師的指導下，制訂開關磁阻電機的檢查計劃；2.根據(jù)檢查計劃對純電動汽車的開關磁阻電機進行檢查。目標和任務資訊三開關磁阻電機的控制技術1.開關磁阻電機控制系統(tǒng)的結構組成開關磁阻電機控制系統(tǒng)主要由功率變換器、控制器、位置傳感器等組成，如圖10-6所示。功率變換器向開關磁阻電機提供運轉所需的能量，由動力電池組或交流電整流后得到直流電供電，開關磁阻電機繞組電流是單向的?？刂破骶C合處理指令、速度、電流和位置傳感器的反饋信號，控制功率變換器的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對開關磁阻電機的狀態(tài)控制。圖10-6開關磁阻電機控制系統(tǒng)結構示意圖資訊三開關磁阻電機的控制技術圖10-7開關磁阻電機的功率變換器電路與直流驅動電機類似，為使噪聲減到最小，開關磁阻電機的斬波電路頻率應高于10kHz。為減少功率器件的數(shù)量，充分利用單極工作，有很多種功率變換器電路，但是減少功率器件會帶來許多負面影響，如控制性能變差、可靠性降低、工作性能降低、需要額外的無源器件等。圖10-7所示的功率變換器電路很適合電動汽車用開關磁阻電機。

2.開關磁阻電機的控制方式開關磁阻電機控制系統(tǒng)的可控參數(shù)主要有開通角、關斷角、相電流幅值及相繞組端電壓，對這些參數(shù)進行單獨控制或組合控制就能得到不同的控制方法，常用的控制方式有角度控制（APC）、電流斬波控制（CCC）、電壓控制（VC）和組合控制等。資訊三開關磁阻電機的控制技術1）角度控制（1）角度控制方式。角度控制方式是保持電壓不變，通過對開通角和關斷角進行控制來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對位置。在角度控制中，改變開通角則可以改變電流波形的寬度、電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對位置，就會對輸出轉矩產生很大的影響。改變關斷角一般不會影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感波形的相對位置，電流有效值也隨之變化。具體實現(xiàn)過程中一般采用固定關斷角、改變開通角的控制模式。資訊三開關磁阻電機的控制技術①轉矩調節(jié)范圍大。在角度控制下的電流占空比的變化范圍幾乎是0～100%。②同時導通相數(shù)可變。同時導通相數(shù)越多，電機輸出轉矩越大，轉矩脈動也就越小。③電機效率高。通過角度優(yōu)化能使電機在不同的負載下保持較高的效率。④不適用于低速運行。在角度控制中電流峰值主要由旋轉電動勢限制，當轉速降低時，由于旋轉電動勢減小，容易使相電流峰值超過允許值。資訊三開關磁阻電機的控制技術（2）角度控制方式的特點。角度控制方式具有以下特點。022）電流斬波控制01（1）電流斬波控制方式。對于電流斬波控制，一般保持電機的開通角和關斷角不變，而主要以控制斬波電流的上下幅值的手段，達到調節(jié)電機轉矩和轉速的目的。電流斬波控制有以下兩種方式。②設定電流上限和關斷時間恒定。此種方式與上一種控制方式的區(qū)別在于，當相電流大于電流斬波上限值時，就將功率器件關斷一段固定的時間再開通，重新導通的觸發(fā)條件不是電流的下限而是定時，在一個控制周期內關斷時間恒定，但電流下降多少取決于繞組電感量、電感變化率、轉速等因素，因此電流下限并不一致。①限制電流上、下幅值。限制電流上、下幅值，即在一個控制周期內，給定電流最大和最小值，使相電流與設定的上、下限制進行比較，當相電流大于設定最大值時則控制該相功率器件關斷，而當相電流降低到設定最小值時功率器件重新開通，如此反復。①適用于低速和制動運行。電機在低速運行時，繞組中旋轉電動勢較小，電流上升速度大；在制動運行時，旋轉電動勢的方向與繞組端電壓的方向相同，電流上升的速率比低速運行時更大。②電機輸出轉矩平穩(wěn)。電流斬波控制時電流波形呈較寬的平頂狀，因此電機輸出的轉矩也比較平穩(wěn)，合成轉矩的脈動明顯比其他控制方式小。③用作調速系統(tǒng)時，抗負載擾動的動態(tài)響應慢。在電流斬波控制中，由于電流峰值被限制，當電機轉速在負載擾動下出現(xiàn)突變時，電流峰值無法自適應，系統(tǒng)在負載擾動下的動態(tài)響應十分緩慢。資訊三開關磁阻電機的控制技術（2）電流斬波控制的特點。電流斬波控制具有以下特點。3）電壓控制（1）電壓控制方式。電壓控制是在某相繞組導通階段，在主開關的控制信號中加入PWM信號，通過調節(jié)占空比來調節(jié)繞組端電壓的大小，從而改變相電流值。具體方式是在固定開通角和關斷角的情況下，用PWM信號來調制主開關器件相控信號，通過調節(jié)此PWM信號的占空比改變相繞組的平均電壓，進而改變輸出轉矩。資訊三開關磁阻電機的控制技術②占空比與相電流最大值之間有較好的線性關系，調節(jié)PWM的占空比即可調節(jié)相電流最大值。③通過PWM方式調節(jié)繞組電壓平均值，間接調節(jié)和限制過大的繞組電流，因此該方式既能用于高速運行，又適合低速運行。④適用于轉速調節(jié)系統(tǒng)，抗負載擾動的動態(tài)響應快。其缺點是轉矩脈動較大，調速范圍有限。資訊三開關磁阻電機的控制技術（2）電壓控制方式的特點。電壓控制具有以下特點。①可以控制斬波頻率和占空比兩個參數(shù)，可控性好。一般情況下斬波頻率是固定的，選擇適當?shù)臄夭l率，也就控制了相電流頻率。024）組合控制01對于實際的開關磁阻電機的控制，可以根據(jù)不同的運行工況并結合上述控制方式的優(yōu)缺點，選用幾種控制方式的組合，使電機調速系統(tǒng)的性能更好。目前比較常用的組合控制方式有以下兩種。（2）角度控制與電壓PWM控制組合。通過電壓PWM來調節(jié)電機的轉速和轉矩，通過調節(jié)功率器件觸發(fā)角來解決相電流變化滯后的問題。在這種控制方式下，轉速和轉矩的調節(jié)范圍大，高速和低速均有較好的電機控制特性，且不存在兩種控制方式相互轉換的問題。因此目前該組合控制方式已經(jīng)得到了廣泛應用。（1）角度控制與電流斬波控制組合。高速時采用角度控制方式，低速時采用電流斬波控制方式，這有利于發(fā)揮兩者的優(yōu)點。這種組合控制方式的缺點是對中速時的過渡不容易掌握。一般要求在升速時的轉換點和在降速時的轉換點之間有一定的回差，應使前者略高于后者且要避免電機在速度切換點頻率轉換。3.開關磁阻電機的功率變換器功率變換器是驅動系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響著系統(tǒng)的成本和性能，其所起的主要作用有：連接電源與電機，為其正常運行提供電能，滿足所需的機械能轉換；開關作用，使繞組與電源接通或者斷開；續(xù)流作用，為繞組儲能的回饋提供路徑。功率變換器的合理設計是提高開關磁阻電機調速系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。資訊三開關磁阻電機的控制技術知識拓展5理想的功率變換器主電路結構應同時具備以下條件。（1）具有少而有效的主開關器件。（2）可以將全部電源電壓加給電機繞組。（3）可以通過主開關器件調制，有效控制每相電流。（4）可以迅速增加相繞組電流。（5）在負半軸繞組磁鏈減少的同時，能將能量回饋給電源資訊三開關磁阻電機的控制技術資訊三開關磁阻電機的控制技術1）雙開關型功率變換器雙開關型功率變換器電路每相有兩個主開關器件及兩個續(xù)流二極管，當兩個主開關器件同時導通時，電源向電機繞組供電；同時斷開時，相電流通過續(xù)流二極管續(xù)流，將電機繞組中磁場儲能以電能形式迅速回饋給電源，實現(xiàn)強迫換相。如圖10-8中的雙開關型功率變換器電路，該電路尤其適用于電動汽車的開關磁阻電機的驅動。它利用兩個功率器件來獨立控制每相電流，利用兩個續(xù)流二極管把存儲的電磁能回饋給電動汽車電池充電。盡管在這種電路拓撲結構中，每相需要兩個功率器件，成本要高于每相僅需一個功率器件的功率變換器，但其橋臂可以單獨控制每相繞組而不受其他繞組運行的影響。圖10-8雙開關型功率變換器電路資訊三開關磁阻電機的控制技術2）雙繞組型功率變換器雙繞組型功率變換器電路中，每相有主、副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，匝數(shù)比為1∶1。當主開關導通時，電源對主繞組供電；當主開關關斷時，靠磁耦合將主繞組的電流轉移到副繞組，通過二極管續(xù)流，向電源迅速回饋電能，實現(xiàn)強迫換相。這種功率變換器電路適用于任意相數(shù)的開關磁阻電機，尤其適用于低壓直流電源供電的場合。其基本電路如圖10-9所示。圖10-9雙繞組型功率變換器電路資訊三開關磁阻電機的控制技術3）電容裂相型功率變換器電容裂相型功率變換器電路是指將整流輸出的電壓通過雙電容裂相形成的電路，其電容同時還起到濾波、存儲繞組回饋能量的作用。采用這種電路，可對電機的各相進行獨立控制，每相只需要一個主開關器件和一個續(xù)流二極管。因而此功率變換器只適用于相數(shù)為偶數(shù)的開關磁阻電機。電容裂相型功率變換器電路如圖10-10所示。圖10-10電容裂相型功率變換器電路資訊三開關磁阻電機的控制技術4）H橋型功率變換器H橋型功率變換器電路可以看作電容裂相型功率變換器電路取消了電容器分壓，并將各相繞組中點浮空而形成的電路。換相時磁能以電能形式一部分回饋給電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。H橋型功率變換器電路如圖10-11所示。圖10-11H橋型功率變換器電路資訊三開關磁阻電機的控制技術5）能量回收型功率變換器能量回收型功率變換器通常有諧振能量回收、阻尼能量回收及斬波能量回收幾種形式。圖10-12所示為斬波能量回收型功率變換器電路。當主電路開關開通時，繞組通電建立磁鏈；當其關斷時，續(xù)流二極管將繞組電流續(xù)流，從而使繞組中的磁能以電能的形式存儲于電容器上，并回饋給電源。圖10-12斬波能量回收型功率變換器電路資訊三開關磁阻電機的控制技術