汽車電機及驅(qū)動技術(shù) 課件 第8章 汽車磁阻類電機

汽車磁阻類電機第8章8.1磁阻類電機概述8.1.1磁阻類電機的提出目前研究的磁阻類電機主要有開關(guān)磁阻電機（SwitchedReluctanceMachine，SRM）、雙凸極電機（DoublySalientMachine，DSM）和磁通切換電機（Flux-SwitchingMachine，F(xiàn)SM）。開關(guān)磁阻電機作為20世紀(jì)70年代興起的新型電機，與其他各種調(diào)速電機相比有較大結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。首先，開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子是簡單的疊片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)堅固且經(jīng)濟；其次，開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子沒有電勵磁繞組或永磁體，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對溫度不敏感，電機的最高運行溫度取決于絕緣系統(tǒng)，因此可在高速下運行，而且高溫環(huán)境的運行能力良好；另外，開關(guān)磁阻電機定子集中繞組可以預(yù)先繞制好再嵌入定子槽，定子裝配工藝簡單，制造成本低，冷卻方便。開關(guān)磁阻電機也既可以作電動機，又可以作發(fā)電機，在不改變硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下可以自如地實現(xiàn)起動、發(fā)電、助力等狀態(tài)的切換。例如，羅馬尼亞理工大學(xué)和德國西門子公司的設(shè)計人員設(shè)計了飛輪式的16/12極開關(guān)磁阻電機，并進行了實驗，電機結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。1992年，美國T.A.Lipo教授提出了切向勵磁的雙凸極永磁電機，該電機將永磁體置于電機定子軛部，如圖8-2a所示。除了切向勵磁式DSPM結(jié)構(gòu)，Lipo教授還提出了徑向勵磁式的DSPM電機，如圖8-2b所示[34]。磁通切換電機的基本原理最早在1955年由美國的Rauch和Johnson提出并在IEEE的前身AIEE匯刊發(fā)表，其結(jié)構(gòu)如圖8-3所示，但是由于當(dāng)時的永磁體材料性能、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)較差，因此該電機并未引起足夠的重視。1996年，羅馬尼亞教授I．Boldea等人提出了將兩塊反向排列的永磁體粘結(jié)于電機定子凸極表面的磁通反向永磁電機(Flux-ReversalPermanentMagnet，F(xiàn)R/MIN)，如圖8-4所示。1997年，法國學(xué)者E.Hoang提出了永磁體置于電機定子齒間的磁通切換永磁電機(flux-switchingpermanent-magnetmachine，F(xiàn)SPM)，如圖8-5所示。磁通切換電機可以看做是切向勵磁的磁通反向電機，都具有雙極性的磁鏈并且工作過程中實現(xiàn)磁通切換，因此兩者原理是基本相同的，可以看作為一類，只是名稱不一。表8-1給出了雙凸極永磁電機、開關(guān)磁阻電機和磁通切換永磁電機在磁鏈、反電勢和控制模式等方面的對比。8.1.2磁阻類電機的分類除了按照上述原理將磁阻類電機分為開關(guān)磁阻電機、雙凸極電機和磁通切換電機之外，業(yè)界還經(jīng)常按照結(jié)構(gòu)、功能、控制等不同進行分類如下：1）按照功能不同可分為：電動機、發(fā)電機、起動發(fā)電機；2）按照定轉(zhuǎn)子位置不同可分為：外轉(zhuǎn)子式和內(nèi)轉(zhuǎn)子式；3）按照外形結(jié)構(gòu)不同可分為：旋轉(zhuǎn)式和直線式；4）按照相數(shù)不同可分為：單相、雙相、三相、四相、五相、六相等；5）按照控制方式不同可分為：方波控制、正弦波控制等等；6）按照勵磁方式的不同可分為（開關(guān)磁阻無此分類）：永磁式、電勵磁式和混合勵磁式。其中按照勵磁方式的不同進行分類最能顯示其特征，而且這種分類的控制方式也不一樣。8.2開關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)與原理8.2.1開關(guān)磁阻電機的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機是一種定子單邊激磁，定、轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)的磁阻類電動機。該電動機定子繞組可由變頻直流電源供電，必須在特定的開關(guān)模式下工作，故常稱為“開關(guān)磁阻電機”。本節(jié)主要闡述其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，再對開關(guān)磁阻電機的控制策略做簡要說明。1.相數(shù)與極數(shù)的關(guān)系開關(guān)磁阻電機的輸出轉(zhuǎn)矩為磁阻性質(zhì)，為了保證電機能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)某一相的定子齒與轉(zhuǎn)子齒的軸線對齊時，相鄰的定、轉(zhuǎn)子齒的軸線應(yīng)錯開1/m個轉(zhuǎn)子極距。為了避免單邊磁拉力現(xiàn)象的發(fā)生，電機必須為對稱結(jié)構(gòu)，即定、轉(zhuǎn)子極數(shù)為偶數(shù)。通常，開關(guān)磁阻電機的相數(shù)m與定、轉(zhuǎn)子極數(shù)需滿足如下約束關(guān)系：表8-2是開關(guān)磁阻電機常用的相數(shù)與定、轉(zhuǎn)子極數(shù)的組合。2.單相開關(guān)磁阻電機單相開關(guān)磁阻電機的功率電路只需要一個開關(guān)管和一個續(xù)流二極管。所需功率變換器的成本最低，定子繞組數(shù)和引線最少。因此，單相開關(guān)磁阻電機可以作為小功率電機，在家用電器和輕工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。3.

兩相開關(guān)磁阻電機圖8-7是兩相開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)示意圖。在定、轉(zhuǎn)子磁極中心線對齊位置和定子極中心與轉(zhuǎn)子槽中心位置對齊處不具備自起動能力，且存在較大的轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”。為了可靠地自起動，通常兩相開關(guān)磁阻電機采用不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或不對稱定子結(jié)構(gòu)。圖8-8是一種采用定子磁極偏移的兩相開關(guān)磁阻電機。其中一相的磁極中心線偏離原來的對稱一定的角度，使得轉(zhuǎn)矩分布不再對稱，保證轉(zhuǎn)子在任意位置都可以自起動。另外，可以把轉(zhuǎn)子設(shè)計成凸輪結(jié)構(gòu)或采用階梯型氣隙，可以使磁路的不對稱，避免了轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”，從而使電機可以自起動。4.

三相開關(guān)磁阻電機三相開關(guān)磁阻電機是一種常見的電機結(jié)構(gòu)。三相及以上電機均具備正、反轉(zhuǎn)自起動能力。三相定轉(zhuǎn)子極數(shù)比分別為6/2、6/4、12/8、12/10極等，最常見的結(jié)構(gòu)是6/4極結(jié)構(gòu)。圖8-9是兩組三相6/4極的結(jié)構(gòu)組成的12/8極電機。三相6/4極是最少極數(shù)、最少相數(shù)的可雙向自起動的開關(guān)磁阻電機；三相12/8極實際上為一種兩的6/4極電機，每轉(zhuǎn)24個步距，步進角為15°，可以減少轉(zhuǎn)矩脈動。4.

三相開關(guān)磁阻電機三相開關(guān)磁阻電機是一種常見的電機結(jié)構(gòu)。三相及以上電機均具備正、反轉(zhuǎn)自起動能力。三相定轉(zhuǎn)子極數(shù)比分別為6/2、6/4、12/8、12/10極等，最常見的結(jié)構(gòu)是6/4極結(jié)構(gòu)。圖8-9是兩組三相6/4極的結(jié)構(gòu)組成的12/8極電機。三相6/4極是最少極數(shù)、最少相數(shù)的可雙向自起動的開關(guān)磁阻電機；三相12/8極實際上為一種兩的6/4極電機，每轉(zhuǎn)24個步距，步進角為15°，可以減少轉(zhuǎn)矩脈動。5.

四相開關(guān)磁阻電機與三相開關(guān)磁阻電機相比，四相電機的起動性能更好，轉(zhuǎn)矩波動也小，但電機和控制器的成本都有所增加。常見的四相電機是8/6級結(jié)構(gòu)（見圖8-10），每轉(zhuǎn)有24個步距，步進角為15°。此外，還有8/10極結(jié)構(gòu)，每轉(zhuǎn)40個步距，步進角為9°。6.

五相及以上開關(guān)磁阻電機采用五相或更多相數(shù)的開關(guān)磁阻電機可以獲得更為平順的電磁轉(zhuǎn)矩，大幅度降低轉(zhuǎn)矩波動，還可以獲得穩(wěn)定的開環(huán)工作狀態(tài)（無位置傳感器）。但也具有明顯的缺點，電機和控制器的成本和復(fù)雜程度較高。8.2.2開關(guān)磁阻電機的基本原理開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)交直流電機有著本質(zhì)的區(qū)別。它遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子某相的電樞繞組通電時，所產(chǎn)生的的磁場由于磁力線的扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，試圖使相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其軸線與該定子極軸線對齊的位置，該位置即為磁阻最小的位置。因此開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)原則是要求轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路的磁阻要有盡可能大的變化。下面主要以三相12/8極電機為例說明開關(guān)磁阻電機的工作原理。圖8-11所示為三相12/8極開關(guān)磁阻電動機動作原理圖。定子極上套有集中式繞組，空間相對應(yīng)的位置串聯(lián)成一相繞組，在圖中只畫出了A相繞組。8.2.3開關(guān)磁阻電機的基本電磁關(guān)系理解和掌握開關(guān)磁阻電機的基本電磁關(guān)系有利于深入認(rèn)識開關(guān)磁阻電機。本小節(jié)從理想線性化開關(guān)磁阻電機、實際開關(guān)磁阻電機的物理狀態(tài)和開關(guān)磁阻電機的數(shù)學(xué)模型三個方面介紹電機的基本電磁關(guān)系。1.

理想線性化開關(guān)磁阻電動機模型的基本電磁關(guān)系開關(guān)磁阻電機的雙凸極結(jié)構(gòu)、磁路的飽和、渦流與磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機在運行期間的開關(guān)性和可控性，使得電機的各個物理量隨著轉(zhuǎn)子位置發(fā)生周期性的變化。定子繞組的電流和磁通波形極不規(guī)則。為了弄清開關(guān)磁阻電機內(nèi)部的基本電磁關(guān)系和基本特性，我們從理想線性化的模型入手進行研究。作出假設(shè)如下：1）不計磁路的飽和影響，定子繞組的電感L與繞組電流i無關(guān)；2）極尖的磁通邊緣效應(yīng)忽略不計；3）忽略所有的功率損耗；4）功率管的開關(guān)動作是瞬時完成的；5）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度Ω是常數(shù)。在線性模型中，繞組相電感隨著轉(zhuǎn)子位置角θ周期性變化的規(guī)律可以用圖8-12表示。電感L（θ）與轉(zhuǎn)子位置角θ的關(guān)系，可以用函數(shù)形式表示為：2.

繞組磁鏈圖8-13是開關(guān)磁阻電機的一相繞組的主電路圖。當(dāng)電機由恒定直流電源Us供電時，一相電路的電壓、方程為：式中，“+”對應(yīng)于繞組與電源接通時，“-”對應(yīng)于電源關(guān)斷后繞組的續(xù)流期間。根據(jù)“忽略所有功率損耗的假設(shè)”，上式可以簡化為：將式（8-9）取“+”，積分并帶人初始條件，得通電階段的磁鏈表達式為：式8-11為電源關(guān)斷后繞組續(xù)流期間的磁鏈初始值，對式（8-9）取“-”，積分并帶入初始條件，得到續(xù)流階段的磁鏈解析式為：由式（8-10）～（8-12）可以畫出磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角變化的曲線，如圖8-14所示。3.

繞組電流式（8-8）可以改寫為：在轉(zhuǎn)速、電壓一定的條件下，繞組電流僅于轉(zhuǎn)子位置角和初始條件有關(guān)。由于繞組電感L(θ,i)的表達式是一個分段解析式，因此需要分段給出初始條件并求解。所以，電流在最小電感區(qū)域內(nèi)是直線上升的。這是因為該區(qū)域內(nèi)電感恒為最小值

且無運動電動勢，因此相電流在此區(qū)域內(nèi)可以迅速建立。由（8-16）、式（8-19）、式（8-21）、式（8-22）和式（8-23）構(gòu)成一個完整的電流解析式，它是關(guān)于電源電壓、電機轉(zhuǎn)速、電機結(jié)構(gòu)尺寸和轉(zhuǎn)子位置角θ的函數(shù)。圖8-15和圖8-16分別畫出了在電壓和恒定轉(zhuǎn)速時，不同開通角和關(guān)斷角對應(yīng)的電流波形。通過上述分析，我們可以得出如下結(jié)論：1）主開關(guān)開通角

對控制電流大小的作用十分明顯。開通角減少、電流線性上升的時間增加，電流峰值和電流波形的寬度增大，可以提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率，對系統(tǒng)性能有著很大的影響；但開通角過小會使電流過大，對增加電機功率作用不大，卻使得效率降低、振動和噪聲增大，電機運行的穩(wěn)定性也會相應(yīng)變差。2）主開關(guān)關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但對相電流波形的寬度有影響。關(guān)斷角增大，電流波形和寬度就會增大。通過調(diào)節(jié)關(guān)斷角也可調(diào)整電流的大小和波形，但調(diào)整能力比較弱，所以調(diào)節(jié)關(guān)斷角只能作為開關(guān)磁阻電機控制的輔助手段。3）電流的大小和供電電壓成正比，與電機轉(zhuǎn)速成反比。在電機轉(zhuǎn)速很低時，如起動時，可能形成很大的電流峰值，必須注意限流。有效的限流方式就是采用電流斬波控制。4）在電機高速運轉(zhuǎn)時，可以通過調(diào)節(jié)

和來改變電流的最大值和有效值，以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩，這種方式為角度位置控制（APC）；在電機轉(zhuǎn)速較低時，電流幅值很高，必須加以限制，以保證安全。通常采用固定和，通過控制電流上限幅值和下限幅值來達到所需要的輸出轉(zhuǎn)矩，這種方式叫電流斬波控制（CCC）。4.轉(zhuǎn)矩與功率在理想線性模型中，我們假設(shè)了電機的磁路不飽和。此時，有：上式雖然是在一系列假設(shè)條件下得出的，但對于了解開關(guān)磁阻電機的工作原理，定性分析電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生是十分有益的。我們可以得出以下結(jié)論：1）開關(guān)磁阻電機的電磁轉(zhuǎn)矩是由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時氣隙磁導(dǎo)變化產(chǎn)生的，電感對位置角的變化率越大、轉(zhuǎn)矩越大。選擇開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)少于定子齒數(shù)，有利于增大電感對位置角的變化率，因而有利于增大電機的出力。2）電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比?？紤]實際中電機磁路飽和影響后，雖然轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。3）在電感曲線的上升階段，繞組電流產(chǎn)生正的轉(zhuǎn)矩；在電感曲線下降階段，繞組電流產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩（制動轉(zhuǎn)矩）。因此，我們可以通過改變繞組的通電時刻來改變電機的轉(zhuǎn)矩方向，而改變電流的方向不會改變轉(zhuǎn)矩的方向。4）在電感的下降階段

繞組電流將產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。因此，主開關(guān)的關(guān)斷不能太遲。但關(guān)斷過早也會由于電流的有效值不夠而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減少，且在最大電感期間，繞組也不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此取關(guān)斷角即電感上升區(qū)的中間位置是比較好的選擇。

8.2.4開關(guān)磁阻電動機的物理狀態(tài)在實際開關(guān)磁阻電機中，由于磁路的飽和與邊緣效應(yīng)的影響，電感隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線與理想線性模型中的曲線有很大的區(qū)別，它不僅是轉(zhuǎn)角的函數(shù)，還是電流的函數(shù)。如圖8-17所示，圖中選擇理想線性模型中的為電感基值，取額定電流為電流基值。實際中的電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計算比理想線性模型復(fù)雜得多。開關(guān)磁阻電機的電磁轉(zhuǎn)矩是通過磁共能計算的，不同轉(zhuǎn)子位置下的磁化曲線是開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩計算的基礎(chǔ)。在理想線性模型中，由于忽略磁路的飽和與邊緣效應(yīng)，相電感不隨電流的變化，對于一定的轉(zhuǎn)子位置角，磁化曲線

為一條直線，如圖8-18所示。分段線性化的方法有多種。圖8-20是開關(guān)磁阻電機分析中常見用的一種非線性模型的磁化曲線，即用兩段線性特性來近似一系列非線性磁化曲線。其中一段為磁化曲線的非飽和段，其斜率為電感的不飽和值；另一段為飽和段，可以視為與位置的磁化曲線平行，斜率為。圖中的是根據(jù)對齊位置下磁化曲線決定的一般在磁化曲線開始彎曲處。由于開關(guān)磁阻電機的控制方式不同，相電流的波形也不同，統(tǒng)一的輸出電磁轉(zhuǎn)矩難以得到。在相電流為理想平頂波的情況下，開關(guān)磁阻電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩的解析式為：8.2.5開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學(xué)模型對于m相開關(guān)磁阻電機，如果忽略鐵心損耗，并假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)對稱，則可視為具有m對電端口（m相）和一對機械端口的機電裝置，如圖8-21所示。1.

電路方程根據(jù)電路的基本定律，可以寫出開關(guān)磁阻電機的第k相的電壓平衡方程式：2.

磁鏈方程各相繞組的磁鏈為該相電流與自感、其余各相電流與互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，但由于開關(guān)磁阻電機各相之間的互感相對自感相來說很小，為了便于分析，在開關(guān)磁阻電機的計算過程中忽略相間互感。因此，磁鏈方程為：應(yīng)當(dāng)注意，每相電感是相電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，電感之所以與電流有關(guān)是因為開關(guān)磁阻電機非線性的緣故，而電感隨轉(zhuǎn)子位置角變化正是開關(guān)磁阻電機的特點，是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的先決條件。將式（8.31）帶入式（8.30）中得，3.

機械運動方程根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出電機在電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子的機械運動方程：4.

轉(zhuǎn)矩公式開關(guān)磁阻電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以通過其磁場儲能或磁共能（圖8-22所示）對轉(zhuǎn)子位置角θ的偏導(dǎo)數(shù)求得，即：8.3開關(guān)磁阻電機的控制策略8.3.1開關(guān)磁阻電機傳動系統(tǒng)1.開關(guān)磁阻電機傳動系統(tǒng)的組成開關(guān)磁阻電機傳動系統(tǒng)（SwitchedReluctanceDrive，SRD）是一種新型機電一體化交流調(diào)速系統(tǒng)，主要由四部分組成：開關(guān)磁阻電機、功率變換器、控制器和檢測器，如圖8-23所示。開關(guān)磁阻電機傳動系統(tǒng)的主要優(yōu)點如下：1）電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適于高速運行。開關(guān)磁阻電機的突出優(yōu)點是轉(zhuǎn)子上沒有任何形式的繞組，而定子上只有簡單的集中繞組。并且發(fā)熱集中在定子上，轉(zhuǎn)子的機械強度高，電動機可以高速運轉(zhuǎn)而不至變形，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，易于實現(xiàn)加、減速。2）功率電路簡單可靠。因為電動機轉(zhuǎn)矩方向與繞組電流方向無關(guān)，即只需要單方向的繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)簡單。另外，系統(tǒng)中的每個功率開關(guān)器件均直接與電動機繞組串聯(lián)，避免了直通短路的現(xiàn)象。因此，開關(guān)磁阻電動系統(tǒng)功率變化器的保護電路可以簡化，既降低了成本，又具有較高的可靠性。3）效率高、功耗少。開關(guān)磁阻電動系統(tǒng)在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)具有高輸出和高效率。這是因為一方面電動機轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動機的可控參數(shù)多，靈活多變，易于在寬廣的范圍和不同負(fù)載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。4）高起動轉(zhuǎn)矩、低起動電流、適用于頻繁起停和正反轉(zhuǎn)速運行。從電源側(cè)吸收較少的電流，在電動機側(cè)得到較大的啟動轉(zhuǎn)矩。5）可控參數(shù)多，調(diào)速性能好?？刂崎_關(guān)磁阻電機的主要運行參數(shù)主要有四種控制開通角、控制關(guān)斷角、控制相電流的幅值和控制相繞組電壓?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便，可以根據(jù)運行要求和電動機的實際情況采用不同的控制方法和參數(shù)值。使電機運行在最佳狀態(tài)（如出力最大、效率最高等），還可以使電機實現(xiàn)不同的功能和特定的特性曲線。當(dāng)然，開關(guān)磁阻電機傳動系統(tǒng)也存在著一些不足，主要為：6）存在轉(zhuǎn)矩脈動。開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的，且由于雙凸極結(jié)構(gòu)易受到磁路非線性飽和的影響，合成轉(zhuǎn)矩不是一個恒定值，而是存在一定的諧波，使電機低速運行時存轉(zhuǎn)矩脈動較大。7）振動和噪聲比傳統(tǒng)同步電機和感應(yīng)電機電動機大。8）開關(guān)磁阻電機的出線頭較多，且相數(shù)越多，主接線數(shù)越多。此外，還有位置傳感器的出線。8.3.2開關(guān)磁阻電機的控制方式開關(guān)磁阻電機的可控量有加在繞組兩端的電壓、相電流、開通角和關(guān)斷角等參數(shù)。針對這些可控量的控制方式一般分為三種：即角度位置控制方式（APC）、電流斬波控制方式（CCC）和電壓斬波控制方式（CVC）。1.角度位置控制（APC）角度位置控制是指在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變繞組上主開關(guān)的開通角

和關(guān)斷角，來改變繞組的通電、斷電時刻，調(diào)節(jié)相電流的波形，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。總結(jié)起來，角度位置控制具有以下的特點：1）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大。若定義電流存在區(qū)間t占電流周期T的比例D=t/T，D為電流占空比，則在角度控制下，電流占空比的變化范圍幾乎從0～100％。2）可以同時導(dǎo)通多相。同時導(dǎo)通相數(shù)越多，電機出力越大，轉(zhuǎn)矩脈動越小。當(dāng)電機負(fù)載變化時，自動增加或減少同時導(dǎo)通相數(shù)是角度控制方式。3）電機運行的效率高。通過角度優(yōu)化能使電機在不同負(fù)載下保持較高的效率。4）不適用于低轉(zhuǎn)速。在角度控制方式中，電流峰值主要有旋轉(zhuǎn)電動勢限制。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，旋轉(zhuǎn)電動勢減少，可使電流峰值超過允許值，需要添加另外的限流措施，因此角度控制方式適用于較高的轉(zhuǎn)速。2.

電流斬波控制（APC）電機低速運行特別是在起動時，旋轉(zhuǎn)電動勢的壓降很小，相電流上升很快，為了避免過大的電流脈沖對功率開關(guān)器件及電機造成的損壞，需要對電流峰值進行限定。因此，可以采用電流斬波控制，獲得恒轉(zhuǎn)矩的機械特性。電流斬波控制一般不會對開通角、關(guān)斷角進行控制，它將直接選擇在每相的特定導(dǎo)通位置對電流進行斬波控制?？偨Y(jié)起來，電流斬波控制具有以下特點：1）適用于低速和制動運行的電機。在低速運行時，繞組中的旋轉(zhuǎn)電動勢小，電流增長快。在制動運行時，旋轉(zhuǎn)電動勢的方向與繞組端電壓方向相同，電流比低速運行時增長更快。兩種工況下，采用電流斬波控制方式正好能夠限制電流峰值超過允許值，起到良好的保護和調(diào)節(jié)效果。2）轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。電流斬波控制時，電流波形呈現(xiàn)較寬的平頂狀，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較為平穩(wěn)，合成的轉(zhuǎn)矩脈動明顯比其他控制方式小。3）適用于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)斬波周期較小，并忽略相導(dǎo)通和相關(guān)斷是電流建立和消失的過程（轉(zhuǎn)速低時近似成立）時，繞組電流波形近似平頂方波。平頂方波的幅值對應(yīng)電機轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩值基本不受其他因素的影響，可見電流斬波控制方式適用于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如恒轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。4）用作調(diào)速系統(tǒng)時，抗負(fù)載擾動性的動態(tài)響應(yīng)慢。提高調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載擾動下的快速響應(yīng)，除了轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)動態(tài)響應(yīng)快外，系統(tǒng)自身的機械特性也十分重要。在電流斬波控制方式中，由于電流峰值被限，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速在負(fù)載擾動的作用下發(fā)生突變時，電流風(fēng)中無法自動適應(yīng)，系統(tǒng)在負(fù)載擾動下的動態(tài)響應(yīng)十分緩慢。3.電壓斬波控制（CVC）電壓斬波控制是保持開通角、關(guān)斷角不變的前提下，使功率開關(guān)器件工作在脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。脈沖周期T固定，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比，來調(diào)節(jié)加在繞組兩端電壓的平均值，進而改變繞組電流的大小，實現(xiàn)對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。增大調(diào)制脈沖的頻率，會使電流的波形比較平滑，電機出力加大，噪聲減少，但對功率開關(guān)器件的工作頻率的要求就會增大。8.3.3開關(guān)磁阻電機的功率變換器功率變換器是開關(guān)磁阻電機和直流電源的接口，在控制器的控制下起到開關(guān)作用，使繞組與電源接通或關(guān)斷；同時還為繞組的儲能提供回饋路徑。開關(guān)磁阻電動系統(tǒng)的性能和成本很大程度上取決于功率變換器，因此合理設(shè)計功率變換是開關(guān)磁阻電機電動系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵。性能優(yōu)良的功率變換器應(yīng)同時具備如下條件：1）具有較少的主開關(guān)器件；2）可以將電源電壓全部加在電動機的繞組上；3）主開關(guān)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）可以通過主開關(guān)器件調(diào)制，有效地控制相電流；6）能將繞組儲能回饋電源。1.

雙開關(guān)型主電路圖8-26是雙開關(guān)型功率變換器的示意圖。雙開關(guān)型功率變換器每相有兩只主開關(guān)和兩只續(xù)流二極管。當(dāng)兩只主開關(guān)VT1和VT2同時導(dǎo)通時，直流電源向電機相繞組供電；當(dāng)VT1和VT2同時關(guān)斷時，相電流沿圖中箭頭方向經(jīng)續(xù)流二極管VD1和VD2續(xù)流，將電機的磁場能量以電能的形式迅速回饋電源，實現(xiàn)強迫換相。雙開關(guān)型功率變換器適用于任意相數(shù)的開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)，三相開關(guān)磁阻電動系統(tǒng)最常用的主電路形式就是雙開關(guān)型主電路（又叫三相不對稱板橋型主電路），如圖8-27所示。2.

電容分壓型主電路電容分壓型主電路也稱為電容裂相型主電路或雙電源型主電路，是四相開關(guān)磁阻電機常用的一種功率變換器電路，如圖8-28所示。這種結(jié)構(gòu)的功率變化器每相只需要一個功率開關(guān)器件和一個續(xù)流二極管，各相的主開關(guān)器件和續(xù)流二極管依次上下交替排布；直流電源被兩個大電容C1和C2分壓，得到中點電位

四相繞組的一端共同接至電源的中點。3.

H橋型主電路如圖8-29所示，H橋型主電路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，換相的磁能以電能的形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間上、下橋臂必須各有一相導(dǎo)通。該電路特有的優(yōu)點是可以實現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。4.

公共開關(guān)型主電路圖8-30是公共開關(guān)型主電路圖。除了每相各有一個主開關(guān)外，各相還有一個公共開關(guān)VT。公共開關(guān)對供電相實施斬波控制，當(dāng)VT和VT1同時導(dǎo)通時，電源向A相繞組供電；當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT關(guān)斷時，A相電流經(jīng)VD1續(xù)流。當(dāng)VT和VT1都關(guān)斷時，電源經(jīng)過VD和VD1反加于A相繞組兩端，實現(xiàn)強迫續(xù)流換相；若VT導(dǎo)通，VT1關(guān)斷時，相電流經(jīng)VD續(xù)流，因A相繞組兩端不存在電源供電電壓反極性的換相電壓，不利于實現(xiàn)強迫換相。8.4雙凸極電機的基本結(jié)構(gòu)與原理8.4.1雙凸極電機的的基本結(jié)構(gòu)雙凸極電機是在開關(guān)磁阻電機基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型電機，是電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)、集成電機技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。與開關(guān)磁阻電機相比，雙凸極電機在定子軛上增加了一套勵磁繞組或永磁體，轉(zhuǎn)子無繞組，其磁路、工作原理、控制方式等與開關(guān)磁阻電機存在本質(zhì)的區(qū)別?；镜娜嚯p凸極電機結(jié)構(gòu)主要有6/4、12/8兩種，其截面如圖8-31、8-32所示，12/8結(jié)構(gòu)電機的磁路特性等效為兩臺6/4結(jié)構(gòu)雙凸極電機，因此本章以6/4結(jié)構(gòu)電機為例，分析其磁路、結(jié)構(gòu)特性。8.4.2雙凸極電機的磁路特性雙凸極電機的凸極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致磁路分布比較復(fù)雜，磁路的飽和及邊緣效應(yīng)使得電機參數(shù)和各個物理量隨著轉(zhuǎn)子位置和繞組電流呈非線性變化，無法通過明確的式子來表示，只能采用一簇曲線來描述。為討論方便，忽略電機的磁路飽和邊緣效應(yīng)的影響，也就是近似認(rèn)為空載時電機參數(shù)和各個物理量只和轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，稱這種簡化的電機模型為線性模型。與其他電機一樣，反映雙凸極電機磁路特性的關(guān)鍵參數(shù)是磁鏈。采用線性模型分析雙凸極電機磁路特性主要是研究其磁鏈和電感隨轉(zhuǎn)子位置的線性變化規(guī)律。由式（8-35）～（8-41）可見，雙凸極電機磁路電感特性與其磁導(dǎo)及繞組匝數(shù)相關(guān)，變化規(guī)律類似圖8-34，由此構(gòu)建如圖8-35所示分段線性電感模型。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子極弧相同時，電感曲線呈周期狀三角波形式，如圖（a）所示；當(dāng)轉(zhuǎn)子極弧大于定子極弧時，電感曲線呈周期狀梯形波，如圖（b）；在定、轉(zhuǎn)子極完全重疊時，其磁鏈、電感值為最大，而定、轉(zhuǎn)子極、槽相對時，磁鏈、電感值最小。8.4.3電勵磁雙凸極電機的數(shù)學(xué)模型電勵磁雙凸極電機的數(shù)學(xué)模型包括磁路方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和機械方程。這些數(shù)學(xué)模型描述了雙凸極電機各個物理量之間的關(guān)系，是研究其發(fā)電工作原理的依據(jù)，下面逐一介紹。雙凸電機以脈動磁場進行工作，氣隙磁場空間分布不均勻，類似于開關(guān)磁阻電機，運行中遵循“磁阻最小原理”。但是工作原理與開關(guān)磁阻電機比較有較大的不同。雖然雙凸極電機結(jié)構(gòu)和磁路飽和效應(yīng)的影響使電機參數(shù)及各物理量隨著轉(zhuǎn)子位置和電樞電流呈非線性變化，但是其工作原理仍符合電工理論的基本規(guī)律，據(jù)此可建立雙凸極電機的數(shù)學(xué)模型。1.

磁鏈方程2.

電壓方程3.

功率方程4.

轉(zhuǎn)矩方程5.

機械方程8.4.4雙凸極電機的原理電勵磁雙凸極電機勵磁繞組中通過一定電流時，將在電機中產(chǎn)生一定的磁場分布，磁通經(jīng)過定子軛部、定子齒部、氣隙、轉(zhuǎn)子齒部、轉(zhuǎn)子軛部形成閉合回路。若按照一定的導(dǎo)通順序給電機三相繞組通電，可使電機產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，從而連續(xù)旋轉(zhuǎn)。若外加機械力使電機轉(zhuǎn)子按一定方向旋轉(zhuǎn)，各相繞組匝鏈的磁鏈隨著轉(zhuǎn)子位置改變而變化，從而在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，可向負(fù)載輸出電能。因此雙凸極電機既可電動運行也可用于發(fā)電工作。1.磁鏈變化原理為準(zhǔn)確描述雙凸極電機的磁鏈變化，首先需要定義各物理量的參考方向。定子齒上繞有P(P=A，B，C)相繞組，繞組方向如圖8-36所示雙凸極電機P相電樞繞組所匝鏈的磁鏈和P相繞組感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系曲線如圖8-37所示。雙凸極電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，一相電樞繞組所匝鏈的磁鏈共變化p次，p為極數(shù)。故一相電樞繞組感應(yīng)電勢的頻率為：2.電動工作原理雙凸極電機電動過程繞組通電模式遵循“電感上升區(qū)通正電，電感下降區(qū)通負(fù)電”的原則。起動控制主要有三種控制模式：單相控制模式、兩相控制模式和類似開關(guān)磁阻電機的半周控制模式。單相控制是指在任一時刻只有一相繞組導(dǎo)通，在一相繞組的電感上升區(qū)通正電流，下降區(qū)通負(fù)電；兩相導(dǎo)通控制是在任一時刻都有兩相繞組通電，一相繞組電感上升區(qū)通正電，另一相繞組電感下降區(qū)通負(fù)電；半周控制是指只在電感的上升區(qū)通正電，下降區(qū)不通電。2.發(fā)電工作原理當(dāng)原動機拖動電勵磁雙凸極發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子齒重疊角發(fā)生變化，電樞繞組所匝鏈的磁鏈也就發(fā)生變化，從而在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，發(fā)電機感應(yīng)電勢波形非正弦，一般應(yīng)用時后接整流電路，作為無刷直流發(fā)電機輸出直流電。因發(fā)電時不需要位置傳感器和可控功率變換器，將其應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電場合有望減低成本，提高系統(tǒng)可靠性。8.4.5多相雙凸極電機本節(jié)首先分析多相雙凸極電機的極數(shù)和極弧系數(shù)，確定不同相的雙凸極電機的基本結(jié)構(gòu)。然后，對單相、兩相和各相電感對稱的三相、四相、五相和六相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機作簡要說明。1.

多相雙凸極電機的極數(shù)（1）定子極數(shù)約束

傳統(tǒng)的m相電勵磁雙凸極電機的勵磁繞組跨m個定子極繞制，電樞繞組為集中繞組，因此定子極數(shù)應(yīng)符合：為了使定子極數(shù)公式具有更普遍的適用范圍，因此式(8-50)的定子極數(shù)約束公式應(yīng)改寫為：（2）轉(zhuǎn)子極數(shù)約束電勵磁雙凸極電機轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個極，定子繞組便會感應(yīng)出一個周期的電動勢。因此，DSEM的轉(zhuǎn)子極數(shù)直接決定一個周期機械角的大小，即：

2.多相雙凸極電機的極弧系數(shù)由于雙凸極電機一般采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子直徑比定子小，因此雙凸極電機轉(zhuǎn)子極數(shù)通常小于定子極數(shù)，轉(zhuǎn)子極寬通常等于或大于定子極寬。當(dāng)圖8-40中的一個轉(zhuǎn)子極嚙入B相定子極時，該定子極上的B相繞組自感上升。因此，定子極和轉(zhuǎn)子極中寬度較窄的一個決定電感上升或者下降區(qū)的機械角。對于定子極相對較窄的電機來說，該相電感上升區(qū)的所對應(yīng)的電角度：令x表示雙凸極電機任意時刻相電感在變化的個數(shù)，即能夠同時出力的相數(shù)，x≦m，x越大，能同時出力的相數(shù)越多，容錯能力越強。對于三相雙凸極電機來說，在180°電角度之內(nèi)，相電勢波形的電角度為120°，即有2/3的時間該相電感在變化。同理，對于m相雙凸極電機來說，在x/m的時間內(nèi)一相繞組的電感在變化，因此多相雙凸極電機的一相電勢波形電角度為：對于12/8極三相電勵磁雙凸極電機，為保證其勵磁繞組反電勢為零，其勵磁繞組鏈接的磁路總磁導(dǎo)應(yīng)不變，即在任意時刻三相磁導(dǎo)應(yīng)有一相在增加，一相在減小，另一相磁導(dǎo)保持不變。這樣三相雙凸極電機的單相電感上升區(qū)的機械角應(yīng)該占轉(zhuǎn)子極距的1/3與三相雙凸極電機類似，傳統(tǒng)的四相雙凸極電機電勢波形的電角度為135°，可以推導(dǎo)出其極弧系數(shù)應(yīng)為：式(8-56)和(8-62)給出了多相雙凸極電機單元電機的極數(shù)，及其定子極弧系數(shù)，這為多相雙凸極電機的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。同理，本文給出的多相雙凸極電機約束條件也適用于永磁雙凸極電機和混合勵磁雙凸極電機。3.

單相電勵磁雙凸極電機定子四個極、轉(zhuǎn)子六個極的單相雙凸極電機是雙凸極電機的最簡單的結(jié)構(gòu)，勵磁繞組提供勵磁場，稱為4/6極結(jié)構(gòu)電勵磁單相雙凸極電機。若將兩臺同樣的4/6極結(jié)構(gòu)雙凸極電機組合，可得到8/12極結(jié)構(gòu)單相雙凸極電機。4.

兩相電勵磁雙凸極電機圖8-43是一種兩相結(jié)構(gòu)雙凸極電機的結(jié)構(gòu)示意圖。定子極弧系數(shù)為0.333，轉(zhuǎn)子極寬等于定子極寬。電機定子圓周上均勻分布了8個定子極，每個定子極上裝有電樞繞組元件，轉(zhuǎn)子上有6個均勻分布的轉(zhuǎn)子極。電機為對稱結(jié)構(gòu)，因而轉(zhuǎn)子受到的電磁拉力平衡。5.

三相電勵磁雙凸極電機根據(jù)前文分析可知，三相電機定、轉(zhuǎn)子極數(shù)之比應(yīng)為3/2或3/4。目前國內(nèi)外對三相雙凸極電機的研究集中在用6N/4N極結(jié)構(gòu)。圖8-45給出了三相12/8極結(jié)構(gòu)的雙凸極電機，定子極弧系數(shù)為0.5，轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)為0.333。A相定子齒上的電樞繞組串聯(lián)成一相。從圖8-46三相12/8極雙凸極電機看出三相電樞繞組磁鏈波形對稱變化，相鄰相的的電位差為120°。6.

四相電勵磁雙凸極電機四相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機定轉(zhuǎn)子極數(shù)滿足4N/3N，圖8-47a給出了一種四相12/9極結(jié)構(gòu)的雙凸極電機。勵磁繞組跨三個極繞制，在每相繞組的三個線圈中，兩個線圈匝鏈的磁路磁阻較小，另一個線圈匝鏈的磁路磁阻較大。由于各相繞組皆有上述的三個線圈串聯(lián)組成，各相繞組的各個線圈的電勢矢量可以疊加，如圖8-47b所示，因此各相繞組總的電感大小一致，實現(xiàn)了電勵磁雙凸極電機四相電感的對稱。7.

五相電勵磁雙凸極電機對于五相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機的定轉(zhuǎn)子極數(shù)可滿足5N/4N。圖8-49給出了一種五相30/24極雙凸極電機，勵磁繞組跨三個定子極繞制。定子極弧系數(shù)為0.5，轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)為0.4。一個包含N極和S極的完整磁路要6個定子極，6和相數(shù)5的最小公倍數(shù)為30。8.

六相電勵磁雙凸極電機六相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機定轉(zhuǎn)子比例可以滿足6N/5N。圖8-51給出了一種六相電感完全對稱變化的雙凸極電機，定子極弧系數(shù)為0.4，轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)為0.5。勵磁繞組跨一個定子極繞制。該電機每個定子極上都有一個勵磁繞組和一個電樞線圈，勵磁繞組由12個勵磁線圈串聯(lián)組成，兩個相鄰的勵磁線圈的繞向相反，以形成隔極分布的N極和S極。電樞繞組可分為A、B、C、D、E和G六相，每相電樞繞組由位置相差180°機械角的兩個集中線圈可串聯(lián)組成。電樞繞組和勵磁繞組都是集中式繞組且繞向相同。圖8-51b給出了各個線圈的電勢矢量圖。由于各相繞組的繞制是完全對稱的，六相繞組的電勢矢量圖在一個周期內(nèi)均勻分布，因此相鄰的兩相繞組相差60°電角度。8.4.6混合勵磁雙凸極電機混合勵磁雙凸極電機（DoublySalientHybridExcitationMachine,DSHEM）由多個勵磁磁源性質(zhì)不同的雙凸極單元電機組成。DSHEM帶有的永磁體，具有較高的效率和較弱的電樞反應(yīng)；同時，DSHEM還具有能調(diào)節(jié)勵磁磁場的勵磁線圈，電壓調(diào)節(jié)特性好。即混合勵磁電機在具備永磁電機高效率這一優(yōu)點的同時，還兼?zhèn)淞穗妱畲烹姍C勵磁磁場容易控制的特點。當(dāng)DSHEM工作在電動狀態(tài)時，可以應(yīng)用于伺服驅(qū)動、電動汽車等寬轉(zhuǎn)速范圍、高效率要求的領(lǐng)域，以發(fā)揮其調(diào)速范圍寬的特點。當(dāng)DSHEM工作在發(fā)電狀態(tài)時，可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，以給用電設(shè)備供電。圖8-53給出了三相18/12極DSHEM的結(jié)構(gòu)圖，電機的勵磁磁源為4塊條形永磁體和1套勵磁繞組元件。圖中的箭頭表示永磁體和勵磁繞組產(chǎn)生極性交錯分布的空載磁場。為了使轉(zhuǎn)子受到的徑向電磁力平衡，4塊條形永磁體分為兩組，對稱的分布在定子軛部兩側(cè)。8.5雙凸極電機的控制技術(shù)8.5.1單相工作模式與雙相工作模式電勵磁雙凸極電機有單相繞組通電和兩相繞組通電兩種起動方式。單相工作模式存在轉(zhuǎn)矩死區(qū)，為了增大起動轉(zhuǎn)矩、消除起動死區(qū)，可以用雙向工作模式。圖8-55給出了雙相工作模式，通電原則是：電感上升區(qū)通入正電流，電感下降區(qū)通入負(fù)電流。8.5.2雙凸極電機電動發(fā)電機轉(zhuǎn)換控制圖8-57給出了雙凸極電機電動發(fā)電轉(zhuǎn)換控制的系統(tǒng)框圖。勵磁控制開關(guān)E、起動電源開關(guān)S閉合，起動電源通過功率變化器向電機繞組供電，勵磁電源通過勵磁開關(guān)接入勵磁功率電路。根據(jù)控制策略的不同，可以將整個起動過程分為三個階段：軟起動階段、標(biāo)準(zhǔn)角度控制階段、提前角度控制階段；整個起動過程，外部主電路不需要進行任何改變。（1）軟起動階段起動開始時，為消除發(fā)動機部件的嚙合間隙，減輕對發(fā)動機的沖擊，先在較小的起動轉(zhuǎn)矩下工作。（2）標(biāo)準(zhǔn)角度控制階段軟起動后電機轉(zhuǎn)速低，電樞繞組的反電勢小，電樞繞組的電流上升率就比較高，采用標(biāo)準(zhǔn)角度控制。（3）提前角度控制階段當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，反電勢比較高，電樞繞組的電流上升率就會下降，提前導(dǎo)通，用較長的時間達到電流斬波限。1.標(biāo)準(zhǔn)角度控制由于雙凸極電機的電動勢波形近似方波變化，而非正弦波形，所以控制方式與無刷直流永磁電機不同，而與開關(guān)磁阻電機類似。標(biāo)準(zhǔn)角度控制（StandardAngleControlMode,SACM）的通電原則：當(dāng)電機轉(zhuǎn)子處在某一位置時，相電勢為正的相繞組接電源正端，通以正向電流；相反電勢為負(fù)的相繞組接電源負(fù)端，通以負(fù)向電流，相反電勢處于前兩相之間的相繞組不通電。標(biāo)準(zhǔn)角度控制下的各信號原理波形見圖8-58所示。由于采用的變換器為橋式變換器，因此為了避免上下管之間的直通，同一橋臂的上下管應(yīng)該加入死區(qū)。（1）工作模態(tài)分析當(dāng)雙凸極電機電動運行時，勵磁電流恒定，電機的輸出轉(zhuǎn)矩近似正比于電樞電流。標(biāo)準(zhǔn)角度控制策略的實現(xiàn)在軟件上可以采用位置信號查詢法，即查詢轉(zhuǎn)子三相位置的信號狀態(tài)，根據(jù)位置信號的高低電平組合給出相應(yīng)的邏輯驅(qū)動信號，來控制相應(yīng)的功率開關(guān)管動作。表8-3給出了SCAM下邏輯驅(qū)動信號與位置信號之間的關(guān)系。2.提前角度控制提前角度控制（AACM）是在標(biāo)準(zhǔn)角度控制策略的基礎(chǔ)上，將主電路的開關(guān)管提前一個角度開通和中斷，即實現(xiàn)電機的提前換相。8.5.3電勵磁雙凸極電動/發(fā)電機系統(tǒng)的硬件設(shè)計電勵磁雙凸極電動/發(fā)電機系統(tǒng)的硬件框圖如圖8-60所示，主要包括電勵磁雙凸極起動/發(fā)電機拖動平臺、功率電路、控制器和上位機，共四大部分。拖動平臺中有兩臺電勵磁雙凸極電機互相作為電動機和發(fā)電機對拖；功率電路包括全橋功率變換器、勵磁功率電路；控制器主要由主控單元、采樣調(diào)理單元、隔離驅(qū)動單元以及串口通信單元等組成；上位機是通用計算機，安裝有軟件LabVIEW8.2和硬件PCI-6251板卡，通過串口和控制器進行數(shù)據(jù)通信，實時顯示電勵磁雙凸極起動/發(fā)電機的運行狀況。1.

功率變換器及其隔離驅(qū)動電路設(shè)計功率變換器包括全橋變換器和勵磁功率不對稱半橋變換器，全橋變換器為電機各相繞組供電，不對稱半橋變換器主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)勵磁電流；隔離驅(qū)動電路和上述二者配套使用，實現(xiàn)強、弱電隔離。由于IPM內(nèi)部集成驅(qū)動電路，其功率管的控制信號可由主控板經(jīng)隔離電路直接輸入，圖8-62為2單元封裝IPM上管的外圍電路，其中光耦PC817用于保護信號的隔離輸出，光耦HCPL4504用于功率管驅(qū)動信號的隔離，VP1、FPO、SPR、CP1、VPC與圖8-62所示的2單元封裝IPM原理圖中的符號對應(yīng)，error表示傳送至上級電路的故障信號。勵磁功率不對稱半橋變換器由IGBT和功率二極管構(gòu)成，其中IGBT的隔離驅(qū)動電路采用TLP250芯片進行設(shè)計，如圖8-63所示。2.主控單元TI公司的TMS320F2812DSP是一種專門為電機控制領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計的芯片，它集成了電機控制所必需的，帶有死區(qū)設(shè)置的多路PWM信號發(fā)生器、高速高精度ADC，以及用于電動機速度和位置反饋的編碼器接口等電路，其功能框圖如圖8-64所示，圖中用陰影表示受保護的模塊。它外圍電路主要包括時鐘電路、電源管理電路、外部存儲電路以及I/O口電路。（1）時鐘電路DSP2812芯片需外接時鐘源以提供系統(tǒng)時鐘，本系統(tǒng)采用30MHz無源晶振作為系統(tǒng)時鐘源，在減小對系統(tǒng)干擾的同時，充分發(fā)揮出其高速性能。（2）電源管理電路DSP2812芯片內(nèi)核工作電壓是1.8V，I/O電路工作電壓是3V，絕大多數(shù)電源引腳不能直接與5V電源相接，故本系統(tǒng)選擇電源管理芯片TPS767D318作為DSP供電芯片，該芯片是帶集成延時復(fù)位功能的低壓差穩(wěn)壓器，輸出電壓精度高，可以滿足DSP2812芯片的要求。（3）外部存儲電路雖然DSP2812芯片具有8K字節(jié)的Flash存儲器、1K字節(jié)的OTP型只讀存儲器、兩塊4K字節(jié)的單口隨機存儲器(SARAM)、一塊8K字節(jié)的單口隨機存儲器、兩塊1K字節(jié)的單口隨機存儲器，已完全適用于不太復(fù)雜的系統(tǒng)，但是程序一旦燒寫到FLASH中就無法設(shè)置斷點，不方便調(diào)試。所以本系統(tǒng)采用芯片IS61LV2561作為外部存儲電路，程序空間256K字節(jié)，具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)線寬度16位，且與TTL電平兼容，可以方便實現(xiàn)與DSP的連接。（4）I/O口電路DSP的I/O口與外部5V電壓不匹配，本系統(tǒng)將DSP的部分I/O口接至CPLD的I/O口，經(jīng)過CPLD處理后輸出；其余部分I/O口接至LVC16245，經(jīng)其處理后輸出，實現(xiàn)了與外部5V電源的匹配，提高了驅(qū)動能力。3.數(shù)模轉(zhuǎn)換外設(shè)數(shù)模轉(zhuǎn)換(DigitaltoAnalogConversion,DA)是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為信息基本相同的模擬信號的處理過程，在電勵磁雙凸極電動/發(fā)電機系統(tǒng)的實驗中，模擬電流環(huán)的電流給定和電機轉(zhuǎn)速的檢測，都需要通過TMS320F2812DSP將計算所得的結(jié)果轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，這就需要采用DA芯片，本系統(tǒng)中采用MAXIM公司的MX7847芯片。它是MAXIM公司推出的一種12位并行輸入，雙通道輸出的DA轉(zhuǎn)換器件。其引腳圖和原理框圖如圖8-65所示。4.模擬電流環(huán)斬波電路電勵磁雙凸極電動/發(fā)電機電動過程中電流控制采用模擬電流滯環(huán)控制方式，將傳感器和調(diào)理電路輸出的反饋電流信號和DA輸出的參考電流信號進行比較，將比較的結(jié)果輸入CPLD，經(jīng)過其處理后即可得到功率管的PWM信號。電流閉環(huán)控制采用限定最大開關(guān)頻率的滯環(huán)方式，當(dāng)電流反饋值大于滯環(huán)上限時滯環(huán)輸出電平為低，當(dāng)電流反饋小于滯環(huán)下限時滯環(huán)輸出電平為高，當(dāng)電流反饋小于滯環(huán)上限且大于滯環(huán)下限時保持滯環(huán)信號不變化，如圖8-68所示，其中