開關磁阻電機課件全

電機可以根據轉矩產生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產生轉矩；另一類是由磁阻變化原理產生轉矩。在第一類電機中，運動是定、轉子兩個磁場相互作用的結果。這種相互作用產生使兩個磁場趨于同向的電磁轉矩，這類似于兩個磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現象。目前大部分電機都是遵循這一原理，例如一般的直流電機和交流電機。第二類的電機，運動是由定、轉子間氣隙磁阻的變化產生的。當定子繞組通電時，產坐一個單相磁場，其分鈾要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當轉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子上并產生轉矩使其趨向于磁阻最小的位置。即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質物質的現象。開關磁阻電機就是屬于這一類型的電機。兩類不同機理的電動機開關磁阻電機的最早文獻卻可追溯到1838年，英格蘭學者Davidson制造了一臺用以推動蓄電池機車的驅動系統(tǒng)。70年代左右，英國Leeds大學步進電機和磁阻電機研究小組首創(chuàng)了一臺現代開關磁阻電機的雛形。1980年，Lawrenson及其同事在ICEM會議上，發(fā)表著名論文“開關磁阻調速電動機”，系統(tǒng)地介紹了他們的工作成果，闡述了SR電機的原理及設計特點，在國際上奠定了現代SR電機的地位，這也標志著SRD正式得到國際認證。從此，世界上大批學者投入到SR電機的研究領域。到日前為止，在SRD系統(tǒng)的開發(fā)研制方面，英國一直處于國際領先地位。除英國外，美國、中國、加拿大、印度、韓國等國家也都開展了SRD系統(tǒng)的研究工作。通過20多年的研究和改進，SRD的性能不斷提高，目前已能在數百瓦到數百千瓦的功率范圍內使其性能不低于其他形式的電機。開關磁阻電機發(fā)展歷史第2章開關磁阻電機及其驅動

控制系統(tǒng)(SRD)2.1SRD傳動系統(tǒng)2.2SRD基本方程與性能分析2.3SRD的控制原理2.4SRD的功率變換器2.5SRD傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測2.6SRD控制系統(tǒng)原理及其實現2.7基于單片機的SRD控制系統(tǒng)2.8基于DSP的SRD控制系統(tǒng)2.9開關磁阻發(fā)電機2.1SRD傳動系統(tǒng)2.1.1SRD傳動系統(tǒng)的組成2.1.1SRD傳動系統(tǒng)的組成SR電動機定、轉子實際結構

SR電動機定、轉子實際結構

工作機理開關磁阻電機的工作機理基于磁通總是沿磁導最大的路徑閉合的原理。當定、轉子齒中心線不重合、磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子轉到磁導最大的位置。當向定子各相繞組中依次通入電流時，電機轉子將一步一步地沿著通電相序相反的方向轉動。如果改變定子各相的通電次序，電機將改變轉向。但相電流通流方向的改變是不會影響轉子的轉向的。一、開關磁阻電機（SwitchedReluctanceMotor)

1.結構特點1定子和轉子均為凸極結構；2定子上空間相對的兩個極上的線圈串聯(lián)或并聯(lián)構成一相繞組3定子集中繞阻、繞組為單方向通電4轉子上無繞組5最常見的組合為6/4極，8/6極或12/8極。2.1.2運行原理：磁阻最小原理電機原理演示磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合A-A’通電?

1-1‘與A-A’重合B-B’通電?

2-2‘與B-B’重合C-C’通電?

3-3‘與C-C’重合D-D’通電?

1-1‘與D-D’重合依次給A-B-C-D繞組通電，轉子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉下面通過一個開關磁阻電動機原理模型來介紹工作原理。電機的定子鐵芯有六個齒極，由導磁良好的硅鋼片沖制。電機的轉子鐵芯有四個齒極，由導磁良好的硅鋼片沖制。

由于定子與轉子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極結構。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），用來向電機提供工作磁場。在轉子上沒有線圈，這是磁阻電機的主要特點。

在講電動機工作原理時常用通電導線在磁場中受力來解釋電動機旋轉的道理，磁阻電機轉子上沒有繞組，那是靠什么力推動轉子轉動呢？

磁阻電動機是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動轉子旋轉。下面通過圖示來說明轉子的工作原理，下面是磁阻電動機的正視圖，定子六個齒極上繞有線圈，徑向相對的兩個線圈是連接在一起的，組成一“相”，該電機有3相，結合定子與轉子的極數就稱該電機為三相6/4結構。在下圖標注的A、B、C相線圈僅為后面分析磁路帶來方便，并不是連接三相交流電。在下面有一組磁阻電動機運轉原理動畫的截圖，從中我們將看到磁阻電動機是如何轉動起來的，圖中紅色的線圈是通電線圈，黃色的線圈沒有電流通過；通過定子與轉子的深藍色線是磁力線；把轉子啟動前的轉角定為0度。從左面圖起，A相線圈接通電源產生磁通，磁力線從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，磁力線可看成極有彈力的線，在磁力的牽引下轉子開始逆時針轉動；中間圖是轉子轉了10度的圖，右面圖是轉到20度的圖，磁力一直牽引轉子轉到30度為止，到了30度轉子不再轉動，此時磁路最短。為了使轉子繼續(xù)轉動，在轉子轉到30度前已切斷A相電源在30度接通B相電源，磁通從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，見下左圖，于是轉子繼續(xù)轉動。中間圖是轉子轉到40度的圖，右面圖是轉到50度的圖，磁力一直牽引轉子轉到60度為止。在轉子轉到60度前切斷B相電源在60度時接通C相電源，磁通從最近的轉子齒極通過轉子鐵芯，見下左圖。轉子繼續(xù)轉動，中間圖是轉子轉到70度的圖，右面圖是轉到80度的圖，磁力一直牽引轉子轉到90度為止。當轉子轉到90度前切斷C相電源，轉子在90度的狀態(tài)與前面0度開始時一樣，重復前面過程，接通A相電源，轉子繼續(xù)轉動，這樣不停的重復下去，轉子就會不停的旋轉。這就是磁阻電動機的工作原理。由于是運用了磁阻最小原理，故稱為磁阻電動機，又由于線圈電流通斷、磁通狀態(tài)直接受開關控制，故稱為開關磁阻電動機。向線圈供電的開關是用開關晶體管進行的，下面就是三相線圈與開關晶體管的連接示意圖，BG1、BG2、BG3是三個開關晶體管，分別控制三相線圈A、B、C的電流通斷，三極管旁邊并聯(lián)的二極管是用來續(xù)流的。由于電機靠磁阻工作，跟磁通方向無關，即跟電流方向無關，故在上面運行圖中沒有標明磁力線的方向。A、B、C各相線圈輪流通電似乎簡單，實際情況要復雜些，線圈切斷電源后產生的自感電流不會立即消失，要提前關斷電源進行續(xù)流；為加大力矩相鄰相線圈有電流的時間會有部分重合；調節(jié)電動機的轉速、轉矩也要調整開關時間，各相線圈開通與關斷時間與轉子定子間的相對位置直接相關，故電機還裝有轉子位置檢測裝置為準時開關各相線圈電流提供依據，何相線圈何時通斷必須根據轉子轉到的位置與控制參數決定。開關磁阻電機運行原理動畫演示例：12/8極三相開關磁阻電動機以不同的顏色表示磁場強弱，藍色磁場最弱，綠色強當某一相通電時，磁極極尖處磁場強轉速的計算設：定子繞組為m相，定子齒數Ns=2m，轉子齒數為Nr。當定子繞組輪流通電一次時，轉子轉過一個轉子齒距。這樣定子需輪流通電Nr次轉子才轉過一周，故電機轉速n(r/min)與相繞組電壓的開關頻率fph之間的關系為給定子相繞組供電的功率變換器輸出電流脈動頻率則為

1、依次給A-B-C-A繞組通電，轉子逆勵磁順序方向連續(xù)旋轉。改變繞組導通順序，就可改變電機的轉向。2、通電一周期，轉過一個轉子極距tr=360/Nr3、步距角qb=tr/m=360/(mNr)4、轉矩方向與電流無關,但轉矩存在脈動。5、需要根據定、轉子相對位置投入激勵。不能像普通異步電機一樣直接投入電網運行，需要與控制器一同使用。結論：2.1.3開關磁阻電動機的相數與結構

相數與級數關系1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的定子和轉子齒槽數應為偶數。2、定子和轉子齒槽數不相等，但應盡量接近。因為當定子和轉子齒槽數相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電機出力的重要因素。SR電動機常用的相數與極數組合

相數3456789定子極數681012141618轉子極數46810121416步進角(度)3015964.283.212.5SR電機常用方案相數與轉矩、性能關系：相數越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的SRM沒有自起動能力外轉子單相SR電動機

（1）2-phase4statorpole/2rotorpole（2）4-phase8statorpole/6rotorpole（3）3-phase6statorpole/4rotorpole（4）5-phase10statorpole/8rotorpole利用永磁體輔助起動的單相SR電動機

開關磁阻電機的優(yōu)缺點SR電機轉子上沒有任何形式的繞組、永磁體、滑環(huán)等，定子上只有簡單的集中繞組，繞組端部較短，沒有相間跨接線，因此SR電機的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。SR電機的材料利用系數高，與直流電機甚至感應電機相比，體積小、堅固、維護量小。由于SR電機的轉矩與電流極性無關，只需要單方向的電流激勵，因此在理論上功率變換器電路中每相可以只用一個可控開關元件，而且每個可控開關元件都與電機繞組串聯(lián)，不會出現像交流電機PWM逆變器那樣有電源直通短路的危險，所以功率變換器電路簡單，可靠性高。SR電機轉子上無繞組，系統(tǒng)在低速運行時，不僅轉矩大，而且轉子發(fā)熱不嚴重。SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導通、斷開以及電流幅值等的控制，易于實現系統(tǒng)的軟啟動，四象限運行和寬廣的恒功率范圍。SRD系統(tǒng)的容錯能力強，在缺相的情況下仍然能可靠運行。SR電機原有的轉矩脈動大、噪聲大的缺點通過技術的進步也已經可以解決。2.1.4SRD特點1)電動機結構簡單、成本低、適用于高速

SR電機轉子上沒有任何形式的繞組、永磁體、滑環(huán)等，定子上只有簡單的集中繞組，繞組端部較短，沒有相間跨接線，因此SR電機的結構比鼠籠式感應電動機還要簡單。2)功率電路簡單可靠因為電動機轉矩方向與繞組電流方向無關，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。SRD特點：3)各相獨立工作，可構成極高可靠性系統(tǒng)從電動機的電磁結構上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內產生電磁轉矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組和磁路共同作用下產生一個圓形旋轉磁場，電動機才能正常運轉。4)高起動轉矩，低起動電流控制器從電源側吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統(tǒng)的一大特點。

（SR:0.4IN,1.4TNIM:6-7IN,2-3TN）SRD特點：5)適用于頻繁起停及正反向轉運行

SRD系統(tǒng)具有的高起動轉矩，低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發(fā)熱較連續(xù)額定運行時還小。6)可控參數多，調速性能好控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有四種:相開通角,相關斷角,相電流幅值,相繞組電壓。7)效率高，損耗小

SRD系統(tǒng)是一種非常高效的調速系統(tǒng)。8)可通過機和電的統(tǒng)一協(xié)調設計滿足各種特殊使用要求。9)缺點：轉矩脈動、振動、噪聲但可通過特殊設計克服SRD特點：56SRD的特點SR電機結構簡單、堅固、維護量小功率變換器電路簡單、可靠性高可以在寬廣的速度和負載范圍內高效率運行控制方便、靈活，易于實現四象限運行起動電流小，啟動轉矩大容錯能力強，在缺相情況下仍能可靠運行轉矩脈動大振動與噪聲大2.1.5SRD發(fā)展概況7.5kW、1500r/min幾種調速系統(tǒng)性能比較

2.1.6SRD的應用與研究動向

開關磁阻電動機（SwitchedReluctanceDrive：SRD）是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調速系統(tǒng)，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。

它具有調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點。 英、美等經濟發(fā)達國家對開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的研究起步較早，并已取得顯著效果，產品功率等級從數w直到數百kw，廣泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領域。73電動汽車用開關磁阻電機74開關磁阻電機驅動的純電動汽車五相SRM三相SRM75于2004年6月投入了武漢市的510公汽線路上運行至今。課題成果目前的應用情況762002年12月50/100kW開關磁阻電機在東風技術中心的裝車照片特種電機及其控制航空工業(yè)

家用電器

機械傳動

精密伺服系統(tǒng)

電動車

2.1.6SRD的應用與研究動向應用SRD的研究方向SR電機設計研究：鐵心損耗計算、轉矩脈動、噪聲、優(yōu)化設計等理論SR電機的控制策略研究：最優(yōu)控制，減小轉矩脈動、降低噪聲具有較高動態(tài)性能、算法簡單、可抑制參數變化、擾動及各種不確定性干擾的新型控制策略智能控制策略SR電機的無位置傳感器控制SR電機的振動、噪聲研究無軸承SR電機研究（磁懸?。㏒R電機應用研究：電動車、發(fā)電機、一體化電機等2.2SR電機基本方程與性能分析不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相SR電機系統(tǒng)示意圖

J—轉子與負載的轉動慣量

TL—負載轉矩電路方程第k相繞組的相電壓平衡方程:式中 uk——第k相繞組的端電壓；ik

——第k相繞組的電流；Rk——第k相繞組的電阻；

k——第k相繞組的磁鏈。特種電機及其控制磁鏈方程所以：電阻壓降變壓器電動勢運動電動勢(轉子位置改變)繞組電感為電磁轉矩Wf為磁場儲能，wr為轉子機械角速度如果忽略繞組電阻R，則上面的方程可寫為：由轉矩公式可知：開關磁阻電機的轉矩大小與電流平方成正比，因此轉矩方向與電流方向無關，故可以采用單極性電流供電。轉矩與繞組電感對轉子位置角的變化率成正比，因此，只有當繞組電感隨轉子位置角而增大時，給繞組通電才能產生正向電動轉矩。當電感隨轉子位置角而下降時，如繞組中仍有電流，則將產生制動轉矩。相繞組關斷后繞組電流不能突變?yōu)榱?，有一個延續(xù)過程。為防止繞組電流延續(xù)到負轉矩區(qū)，必須在繞組電感開始下降之前提前關斷繞組。

線性模型有利于對SR電機的定性分析，了解其運動的物理狀況、內部各物理量的基本特點和相互關系； 準線性模型具有一定的計算精度，多用于分析和設計功率變換器和制定控制策略； 非線性模型則用于電機性能計算、仿真，是電機設計的必需手段。

基本控制策略A.低速時的電流斬波控制（Currentchoppingcontrol-CCC)在電感很小時使繞組開通，電流快速上升。為防止電流過大而損壞電機，當電流達到最大值Imax時，使繞組關斷，電流開始衰減，當電流衰減咸至Imin時，繞組重新開通。在最大電感出現之前必須將繞組關斷，以免電流延續(xù)到負轉矩區(qū)。B.高速時的角度位置控制（Angularpositioncontrol-APC)高速時，由于反電勢大，電流受到限制，上升較慢。當到達最大值后，因電感的增加，電流返而下降。同樣，為避免電流延續(xù)到負轉矩區(qū)，繞組要在電感到達最大值之前關斷。速度越高，要關斷的越早。典型機械特性機械運動方程：式中Te——電磁轉矩；

J——系統(tǒng)的轉動慣量；

KΩ——摩擦系數；

TL——負載轉矩。

開關磁阻電機的非線性特性

以上分析都是在線性條件下進行的。實際電機磁路為非線性。磁場分布

電磁轉矩：磁共能的表達式為：Y-iSR電機的瞬時電磁轉矩Te可由磁共能Wc導出：SR電機的平均電磁轉矩Tav2.2.2基于理想線性模型的SR電動機分析

線性模型：不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，此時電感只與轉子位置有關

102

3

0

4

5

SR電機相電感隨轉子位置變化=1位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置statorrotor

1stator=0o位置rotor定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合=0ostator=2位置rotor轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置

2stator=3位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor

3stator=4位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置

4stator=5位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置

5

102

3

0

4

5

=0定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合

1(5)轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置

2

轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置

3

轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置

4

轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置SR電機繞組電感的分段線性解析式：K=(Lmax-Lmin)/(3-2)=(Lmax-Lmin)/s特征：隨定、轉子磁極重疊的增加和減少，相電感在Lmax和Lmin之間線性地變化。Lmin為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感,Lmax定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感。相電流解析分析第k相繞組模型續(xù)流結束角忽略電阻，相繞組電壓方程：所以：而：

=Li相電流解析分析同時可以導出：KT為常數1)當1<2,L=Lmin,Us為+

因：L=Lmin,Us取+,則：又：i(

on)=0,所以，當

1<2時，2)當2<off,L=Lmin+K(-2)，Us為+積分得：由初始條件：i(

2)=Us(

2-

on)/(

Lmin)確定C=Us

on/

，所以,2)當2

off時在2<off期間3)當off<<3,L=Lmin+K(-2)，Us為-4)當3<4,L=Lmax，Us為-5)當42off-on

5,L=Lmax-K(-4)，Us為-特種電機及其控制開通角關斷角

on<2:在電感上升前開通，迅速建立電流，以獲得足夠轉矩>2:電感上升，使繞組電流下降

off<3:在電感達最大之前，繞組關斷，繞組續(xù)流。

3<z<4(θz=2θoff-θon)在電感下降之前，續(xù)流結束。否則會產生反向轉矩典型電流波形不同開通角下電流波形特點：開通角越小，電流幅值越大，續(xù)流時間越長。不同關斷角下電流波形變化趨勢：結構一定，在θon和θoff不變時，繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速的升高而減小；通過調整開關角和關斷角也可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機的電磁轉矩增大。

影響繞組電流的因素：外加電源電壓Us、角速度ωr、開通角θon、關斷角θoff、最大電感Lmax、最小電感Lmin、定子極弧βs等。

線性模型忽略了許多因素，計算結果誤差很大，只能定性地說明影響電流、轉矩的因素。為避免繁瑣計算，又近似考慮磁路的飽和效應，常借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，且不考慮磁耦合兩段線性處理：一段為飽和段，視為與

=0的位置的磁化曲線平行,斜率為Lmin；一段為非飽和段，為L(,i)的不飽和段。準線性模型分析實際磁化曲線分段線性磁化曲線i1準線性模型繞阻電感L(i,

):

基于準線性模型，L(i,

)是可解析的，可以分別求出繞阻磁鏈與磁共能的分段解析式，由此得到SR電機的瞬時轉矩的分段解析式：在相電流為理想平頂波的情況下，SR電機平均電磁轉矩Tav的解析式

當SR電動機運行在電流值很小的情況下，磁路不飽和，電磁轉矩與電流平方成正比；當運行在飽和情況下，電磁轉矩與電流的一次方成正比。這個結論可以作為制定控制策略的依據。特種電機及其控制線性模式下，磁路不飽和：所以，可導出：電磁轉矩：1)

on

是控制轉矩的重要參數：一定時，若開通角

on較小，相電流直線上升時間較長，從而增大電流，提高轉矩。2)在

on一定時，增大off,平均轉矩也相應增大。但導通角c=off-on有一個最佳值，超過此值，c增大，平均轉矩反而減小。討論：特種電機及其控制

(3)SR電動機的電磁轉矩是由于轉子轉動時氣隙磁導變化產生的，電感對位置角的變化率越大，轉矩越大。選擇SR電機的轉子齒極數少于定子齒極數，有利于增大電感對位置角的變化率，因此有利于增大電機的出力。(4)電磁轉矩的大小與電流的平方成正比?？紤]實際電機中磁路的飽和影響后，雖然轉矩不再與電流的平方成正比，但仍隨電流的增大而增大。因此，可以通過增大電流有效地增大電磁轉矩。特種電機及其控制(5)在電感曲線的上升階段，繞組電流產生正向轉矩；在電感曲線的下降階段，繞組電流產生反向轉矩(制動轉矩)。因此，可以通過改變繞組的通電時刻，改變轉矩的方向，而改變電流的方向不會改變轉矩的方向。(6)在電感的下降階段(

>

4)，繞組電流將產生制動轉矩，因此，主開關的關斷不能太遲。但關斷過早也會由于電流有效值不夠而導致轉矩減小，且在最大電感期間，繞組也不產生轉矩，因此取關斷角

off

=(

2+

3)/2，即電感上升區(qū)的中間位置，是比較好的選擇。2.3SR電機的控制原理SR電機固有機械特性：F為以電機結構參數(m，Nr，

2，Lmax，Lmin)和控制參數(

on,off)為變量的函數整理得：對一定電機，結構參數一定。如Us、

on

、off一定，則電機的固有機械特性為：

Tav=k/

2P=k/SR電動機的基本機械特性

SR電機的基速SR電機的固有機械特性類似與直流電機的串勵特性。對給定SR電機，在最高電壓Us和最大允許電流條件下，存在一個臨界角速度。即SR電機得到最大轉矩的最高角速度，稱為基速。SR電機控制策略：*基速以下，電流斬波控制(CCC)，輸出恒轉矩可控量為：Us、

on

、off控制法1：固定on,off，通過電流斬波限制電流，得到恒轉矩控制法2：固定on,off，由速度設定值和實際值之差調制Us，進而改變轉矩*基速以上，角度位置控制(APC)，輸出恒功率設定電流上、下幅值的斬波圖

設定電流上限和關斷時間斬波圖

PWM斬波調壓控制的電流波形

APC運行時Tav與

on、

off的關系

控制方式的合理選擇

電流斬波的最高限速

Cmax

(

on≤

<

2)

電流斬波的最高限速為

SR電動機的起動運行

四相SR電動機的矩角特性

兩相起動時合成轉矩波形

SR電動機的四象限運行控制

SR電動機正反轉控制原理

特種電機及其控制制動狀態(tài)下L,

,i,Te與轉子位置角

的關系示意圖

2.4SRM功率變換器功率變換器是直流電源和SRM的接口，起著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時接受控制器的控制。

由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。對功率變換器主電路的要求

（1）較少數量的主開關元件；（2）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；（3）主開關器件的電壓額定值與電動機接近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過主開關器件調制，有效地控制相電流；（6）能將能量回饋給電源。2.4.1主電路常見形式1、雙開關型每相有兩只主開關和兩只續(xù)流二極管。當兩只主開關VT1和VT2同時導通時，電源US

向電機相繞組供電；當VT1和VT2同時關斷時，將電機的磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現強迫換相。。雙開關型電路特點：1）適用于任意相數SR電機2）相控獨立性：獨立3）相電壓=電源電壓4）器件數量:多

三相SR電機常采用雙開關型主電路雙開關型主電路又稱為不對稱半橋型主電路雙繞組型電路特點主開關S1導通時，電源對主繞組A供電；當其關斷時，靠磁耦合將主繞組A的電流轉移到副繞組，通過二極管D1續(xù)流，向電源回饋電能，實現強迫換相。早期使用的雙繞組結構，每相有主、副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，其匝數比為1：1。2、雙繞組型

缺點：1）由于主、副繞組之間不可能完全耦合，在S1關斷的瞬間，因漏磁及漏感作用，其上會形成較高的尖峰電壓，故S1需要有良好的吸收回路。2）由于采用主、副兩個繞組，因而電機槽及銅線利用率低。銅耗增加、體積增大。優(yōu)點：適用于任何相數的SRM，尤其適宜于低壓直流電源供電場合3、電容分壓型（電源分裂式）兩個相串聯(lián)的電容C1和C2將電源電壓一分為二,構成中點電位。每相只有一個主開關S和一只續(xù)流二極管D。

當S1導通時，上側電容C1對A相繞組放電，電源對A相供電，經下側電容C2構成回路；當S1關斷時，A相電流經D1續(xù)流，向下側電容C2充電。

電容分壓型電路的特點1）只適用于偶數相SR電機2）主開關數較少3）相控獨立性：不獨立4）電源利用率低，每相電壓為電源電壓的1/2。5）需限制中點電位漂移4、H橋型

該變換器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，換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間必須上、下各有一相導通。工作制：AB-BC-CD-DAH橋型電路的特點1）只適用于4的倍數相SR電機2）主開關數較少3）相控獨立性：不獨立4）相繞組電壓浮動5）本電路特有的優(yōu)點:可以實現零壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。H橋型電路為4相SR電機最常用的主電路形式相SR電機主電路工作方式4相8/6極SR電機主電路方式1：單管斬波方式，需增加一個公共開關V0,PWM斬波由V0完成，V1-V4只負責換相.V0導通V0關斷AB兩相導通時工作情況方式2：四相斬波方式V1-V4不僅擔負換相任務，還要進行PWM斬波兩導通相對應的開關V1、V2同時開通或關斷主電路續(xù)流方式3：兩相斬波方式主電路同方式2，V1和V3進行PWM斬波控制，工作情況較復雜斬波：V1關斷，續(xù)流換相：V2關斷，V1導通換相：V1關斷，V2導通

主電路設計實例

系統(tǒng)的主要技術指標

額定功率：30kW；額定轉速：1500r/min；轉速范圍：50~2000r/min電源：三相交流380V/50Hz；雙向運行，停車制動；起動轉矩：1.5

190N

m；過載能力：120%。功率變換器主電路

器件的選用

IGBT模塊結構圖

EXB841原理圖

IGBT驅動電路

特種電機及其控制EXB841典型應用電路

2.5SRM傳動系統(tǒng)的反饋信號檢測2.5.1位置檢測與換相邏輯光電傳感器靜止部分運動部分紅外發(fā)光二極管、光敏三極管、輔助電路與SRM轉子同軸安裝的遮光盤、遮光盤有6個30o間隔的齒位置檢測位置信號檢測電路原理圖VG為光耦，R1、R2限流電阻，兩個非門對輸出信號進行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。光電耦合器件

槽型光電耦合開光

特種電機及其控制=0°，S=1,P=1。導通:ABABCDACDBSP順時針-1制動：CD1特種電機及其控制=15°，S=0,P=1。導通:DAABCDACDBSP順時針-21制動：BC特種電機及其控制=30°，S=0,P=0。導通:DCABCDACDBSP順時針-31制動：AB特種電機及其控制=45°，S=1,P=0。導通:CBABCDACDBSP順時針-41制動：DA特種電機及其控制=60°，S=1,P=1。導通:BA

ABCDACDBSP順時針-1(5)1制動：CD特種電機及其控制=0°，S=1,P=0。導通:ADABCDACDBSP逆時針-1制動：BC特種電機及其控制=15°，S=0,P=0。導通:ABABCDACDBSP逆時針-2制動：CD特種電機及其控制=30°，S=0,P=1。導通:BCABCDACDBSP逆時針-3制動：DA特種電機及其控制=45°，S=1,P=1。導通:CDABCDACDBSP逆時針-4制動：AB特種電機及其控制=60°，S=1,P=0。導通:ADABCDACDBSP逆時針-5(1)制動：BC4相SR電機位置傳感器安裝示意圖定子上安裝兩個相距75o的光敏器件S、P,分別與定子極中心線成37.5o夾角?？奢敵鰞陕废嗖?5o、占空比為50%的方波信號將其組合為4種不同狀態(tài)，代表定子繞組4種不同參考位置位置1：0o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為A、B兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。位置2：轉過15o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為B、C兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。位置3：轉過30o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為C、D兩相導通位置傳感器信號：S被遮，輸出低電平，持續(xù)15o。P未遮，輸出高電平，持續(xù)30o。位置4：轉過45o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為D、A兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續(xù)30o。P未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。位置5：轉過60o導通相分析：令轉向為逆時針旋轉，則應為A、B兩相導通位置傳感器信號：S未遮，輸出高電平，持續(xù)15o。P被遮，輸出低電平，持續(xù)30o。定、轉子相對位置同位置1，60o一周期。正轉邏輯關系逆時針旋轉SP導通相10AB00BC01CD11DA10AB反轉邏輯關系SP導通相00AD10DC11CB01BA00AD3相12/8極SR電機3相12/8極SR電機位置傳感器示意圖三個光電開關依次相隔15o安裝產生占空比為50%、依次相差15°的三個信號合成六個不同狀態(tài)，代表電動機繞組不同參考位置光耦輸出信號與轉子位置關系鎖相環(huán)原理

特種電機及其控制角度細分電路

(I)

CD4046鎖相環(huán)，CD4040十二級二進制計數器角度細分電路(II)

軟件角度細分電路(I)

特種電機及其控制軟件角度細分電路利用高速輸入口HSI對角度進行細分：HSI不僅可以自動檢測輸入信號狀態(tài)的變化，還可以自動記錄狀態(tài)變化發(fā)生的相對時刻。2.5.2速度檢測

一路轉子位置信號的頻率為

轉子位置檢測信號的頻率與電機的轉速成正比，將測出的轉子位置信號的頻率經過轉換即可得到轉速。由于SRD系統(tǒng)位置檢測輸出信號為數字信號，故其轉速檢測不需要附加器件，十分簡單易行，且便于與計算機接口。

特種電機及其控制模擬測速：用LM2907構成的F/V轉換電路特種電機及其控制M法測速與

T法測速

M法適用于高速運行時的測速，低速時測量精度較低。因為在pN和Tc相同的條件下，高轉速時m1較大，量化誤差較小。

M法測速：測規(guī)定時間Tc內的位置脈沖數m1pN——每轉的位置信號脈沖個數特種電機及其控制M法測速與

T法測速

T法適用于低速運行時的測速。

T法測速：測相鄰兩個轉子位置脈沖信號的時間間隔設時鐘頻率為f，兩個位置脈沖間的時鐘脈沖個數為m2，則電機轉子位置脈沖信號的周期T為M法測速原理圖

T法測速原理圖

M/T法測速

M/T法測速方案之一

M/T法測速原理

2.5.3電流檢測

SR電動機電阻采樣電流檢測電路

霍爾電流傳感器檢測電路

四相SR電動機電流檢測

三相SR電動機電流檢測

2.6SRD控制系統(tǒng)原理及其實現SRD控制系統(tǒng)原理圖2.7基于單片機的SRD控制系統(tǒng)特種電機及其控制1、采用轉速外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制，ASR(轉速調節(jié)器)ACR(電流調節(jié)器)。2、控制模式選擇：根據實時轉速信號確定控制模式——在低速運行時，固定開通角

on和關斷角

off，采用CCC控制；在高速運行時，采用APC控制。3、在APC方式下，將電流指令i*抬高，使斬波不再出現，由轉矩指令T*的增減來決定開通角

on和關斷角

off的大小。4、在CCC方式下，實際電流的控制是由PWM斬波實現的。ACR根據電流誤差來調節(jié)PWM信號的占空比，PWM信號與換相邏輯信號相“與”并經放大后用于控制功率開關的導通和關斷。特種電機及其控制數模系統(tǒng)：元件多、控制靈活性差，難以實現復雜的控制算法，因此它逐漸被各種微型計算機所代替。目前，僅用于功能單一的專用SRD系統(tǒng)和一些小功率簡易型產品中。單片機控制與硬件電路相結合:

(1)

8位單片機系統(tǒng)仍需要增加較多的外圍電路，而且運算速度較慢，系統(tǒng)實時性較差,典型的模擬量采樣計算時間為50ms.(2)16位單片機的典型采樣時間為5ms，用于電流環(huán)調節(jié)仍較困難.DSP數字控制系統(tǒng)：（TMS32x24x系列DSP控制器的典型指令周期為50ns，而單片機的指令周期為毫秒級和微秒級）。簡化系統(tǒng)硬件，完成復雜算法，提高控制精度和控制性能特種電機及其控制4相8/6極SR電機兩相全開通時的換相邏輯方向狀態(tài)轉向開關制動開關位置信號SP導通邏輯TATBTCTD順時針電動00000000001011011001001101101100制動00001111001011010110110010010011逆時針電動11110000001011010110001110011100制動11111111001011011001110001100011特種電機及其控制X為控制電動與制動的開