汽車電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 課件匯 史立偉 第7-9章 永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)-汽車電機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)

永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)第7章7.1永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)的對比應(yīng)用于電動(dòng)汽車的無刷化永磁電機(jī)系統(tǒng)包括一臺永磁電機(jī)、一個(gè)電壓源功率變換器、一個(gè)電子控制器和電流、位置傳感器等。表面來看，BLDC和PMSM的基本結(jié)構(gòu)是相同的：1）它們都是永磁電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子由永磁體組成基本結(jié)構(gòu)，定子安放有多相交流繞組；2）都是由永久磁鐵轉(zhuǎn)子和定子的交流電流相互作用產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；3）在繞組中的定子電流必須與轉(zhuǎn)子位置反饋同步；4）轉(zhuǎn)子位置反饋信號可以來自轉(zhuǎn)子位置傳感器。具體區(qū)別如下：1）反電勢不同。2）定子繞組分布不同。3）運(yùn)行電流不同。4）永磁體形狀不同。5）運(yùn)行方式不同。6）調(diào)制方式不同。7.2永磁同步電機(jī)的的基本結(jié)構(gòu)與原理7.2.1永磁同步電機(jī)基本機(jī)構(gòu)永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要包含一個(gè)裝有三相電樞繞組的定子和一個(gè)裝有永磁磁極的轉(zhuǎn)子。按照轉(zhuǎn)子永磁體磁路結(jié)構(gòu)的不同，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以分為表面式轉(zhuǎn)子、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子、爪極式轉(zhuǎn)子和盤式轉(zhuǎn)子四種。表貼式永磁同步電機(jī)，永磁體用環(huán)氧樹脂粘合劑黏貼在轉(zhuǎn)子表面，因此具備制造簡單的優(yōu)點(diǎn)。表面嵌入式永磁同步電機(jī)，永磁體被鑲嵌在轉(zhuǎn)子表面。徑向式內(nèi)埋永磁體的永磁同步電機(jī)，可以看出永磁體徑向磁化且埋于轉(zhuǎn)子內(nèi)部。轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌有鼠籠式感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，這種永磁同步電機(jī)兼具感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)。內(nèi)嵌切向式永磁同步電機(jī)，永磁體切向磁化且埋在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體結(jié)構(gòu)類似于輻條，因此也常被稱為輻條式結(jié)構(gòu)。爪極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)帶爪的法蘭盤和一個(gè)軸向充磁的圓環(huán)形永磁鋼組成。永磁鋼形狀結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，但是爪極及法蘭盤所占轉(zhuǎn)子體積的比例較大，與其他幾種結(jié)構(gòu)相比電機(jī)的重量增加，另外爪極中脈動(dòng)損耗較大，效率低。7.2.2永磁同步電機(jī)的工作原理永磁同步電機(jī)的工作原理是基于正弦波反電動(dòng)勢和正弦波電樞電流之間的相互作用。永磁同步電機(jī)具有平衡的三相正弦分布的氣隙磁通和正弦分布的電樞繞組。感應(yīng)出的三相反電動(dòng)勢波形可以表示為7.2.3永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)電樞磁動(dòng)勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)，電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電樞磁動(dòng)勢和主磁場在空間的相對位置。假設(shè)電壓、電流和反電動(dòng)勢均為正弦，而磁飽和、渦流和磁滯損耗均忽略不計(jì)，永磁同步電機(jī)模型的動(dòng)態(tài)方程可以用相變量表示為7.3永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)7.3.1永磁同步電機(jī)變換器及控制策略1.變換器電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有四象限運(yùn)行能力，即正轉(zhuǎn)電動(dòng)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。

象限轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)電動(dòng)I正正反轉(zhuǎn)制動(dòng)II正負(fù)反轉(zhuǎn)電動(dòng)III負(fù)負(fù)正轉(zhuǎn)制動(dòng)IV負(fù)正輸入電壓是電池電壓

；直流輸入電流是雙向的；電機(jī)轉(zhuǎn)速依賴于定子頻率；極性取決于相序。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在第一象限做正轉(zhuǎn)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為正，因而逆變器的輸入、輸出功率均為正。因此，若電池電壓為正，故逆變器的直流平均輸入電流必須為正。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速為正，所以定子繞組的相序?yàn)檎?，即A-B-C。當(dāng)電機(jī)在第四象限做正轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速為正而轉(zhuǎn)矩為負(fù)，從而輸入、輸出功率均為負(fù)。因此，制動(dòng)能量對電池充電，故平均直流輸入電流為負(fù)。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速仍然為正，所以定子相序?yàn)檎?/p>

象限直流電流交流相序正轉(zhuǎn)電動(dòng)I正正反轉(zhuǎn)制動(dòng)II負(fù)負(fù)反轉(zhuǎn)電動(dòng)III正負(fù)正轉(zhuǎn)制動(dòng)IV負(fù)正2.控制策略（1）變壓變頻控制

變壓變頻控制又稱為恒壓頻比控制，是永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略中最簡單的一種，屬于開環(huán)、標(biāo)量控制，僅控制電機(jī)定子電壓信號的幅值。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是在1986年至1988年日本I.Takahashi教授和德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授提出的，是繼矢量變換控制之后又一全新的電機(jī)控制策略。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接對電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，要求實(shí)際轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩相等。通過選擇合適的空間電壓矢量，控制定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到快速控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。(3)矢量控制（4）基于現(xiàn)代控制理論的控制

PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在易受電機(jī)參數(shù)變化及負(fù)載擾動(dòng)影響的缺點(diǎn)?；诂F(xiàn)代控制理論的滑模變結(jié)構(gòu)控制、采用微分幾何理論的非線性解耦控制和模型參考自適應(yīng)控制等，都已經(jīng)被運(yùn)用到永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中。人工智能化是電機(jī)控制的重要發(fā)展方向之一。（5）滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制（slidingmodecontrol，SMC）是非常有名的非線性控制方法之一。相較于常規(guī)的PID控制方法，滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠有效地提高了系統(tǒng)的魯棒性和快速性，因而被應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，但抖振現(xiàn)象的存在成為其實(shí)際應(yīng)用的主要瓶頸之一。7.3.2磁場定向控制永磁同步電機(jī)的FOC與感應(yīng)電機(jī)的FOC大致相近?？紤]到整體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和摩擦系數(shù)B，運(yùn)動(dòng)方程可以表示如下：7.3.3永磁同步電機(jī)的弱磁控制當(dāng)永磁同步電機(jī)達(dá)到基速時(shí)，端電壓達(dá)到額定電壓。因?yàn)榉措妱?dòng)勢會(huì)隨著轉(zhuǎn)速上升而上升，轉(zhuǎn)速范圍只能通過削弱氣隙磁鏈來擴(kuò)展。因此，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速上升而下降，從而保持恒功率，也就是所謂的恒功率運(yùn)行。7.3.4永磁同步電機(jī)的無位置傳感技術(shù)1.轉(zhuǎn)子初始位置檢測與起動(dòng)控制方法的研究轉(zhuǎn)子初始位置檢測是永磁同步電機(jī)真正實(shí)現(xiàn)無位置傳感器運(yùn)行的首要問題，也是實(shí)現(xiàn)電機(jī)順利起動(dòng)的關(guān)鍵所在。轉(zhuǎn)子初始位置檢測和起動(dòng)方法二者存在著緊密的聯(lián)系，根據(jù)起動(dòng)方式不同，通?？煞譃殚_環(huán)起動(dòng)和閉環(huán)起動(dòng)。開環(huán)起動(dòng)方法較為傳統(tǒng)，通常分為三個(gè)階段：轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速和自同步運(yùn)行。通過向定子繞組通入特定的直流電流產(chǎn)生恒定方向的磁場，將轉(zhuǎn)子永磁體的磁極拉至預(yù)訂位置；然后改變通入電流形式，采用升頻升壓方式，使得轉(zhuǎn)子能夠跟隨定子磁場加速旋轉(zhuǎn)；隨著轉(zhuǎn)速升高可以有效檢測電機(jī)反電勢，從而估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，進(jìn)入自同步運(yùn)行狀態(tài)。2.零速和低速時(shí)無位置傳感器控制技術(shù)的研究永磁同步電機(jī)的凸極性與電機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)無關(guān)，零速和低速運(yùn)行下永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)，主要利用電機(jī)凸極性能夠產(chǎn)生定子電感變化的特點(diǎn)，獲取位置與轉(zhuǎn)速信息。（1）電感測量法

對于內(nèi)嵌式和內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)而言，定子電感大小隨轉(zhuǎn)子位置改變呈正弦變化，測量出電感值大小，即可獲知轉(zhuǎn)子的位置。（2）電壓脈沖法

在估計(jì)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸電壓信號上，疊加電壓脈沖信號，通過檢測估計(jì)坐標(biāo)系的交軸電流變化量，獲取實(shí)際轉(zhuǎn)子位置信息。（3）載波頻率法

該方法利用電機(jī)定子電流信號中的載波頻率成分信號，從它的包絡(luò)線或?qū)λM(jìn)行積分，提取所需的轉(zhuǎn)子位置信號，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制。（4）低頻信號注入法

該方法不依賴永磁同步電機(jī)的凸極特性，僅利用基波模型就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速估計(jì)，因此適用于內(nèi)埋式和表面式永磁同步電機(jī)。（5）高頻信號注入法

這類方法的基本原理是通過向電機(jī)定子繞組中注入一定形式的高頻電信號，利用電機(jī)本身存在的或者由高頻信號激勵(lì)產(chǎn)生的凸極性，它包含著轉(zhuǎn)子位置信息，并會(huì)反映在注入信號的響應(yīng)上。3．中速和高速時(shí)無位置傳感器控制技術(shù)的研究就本質(zhì)而言，中速和高速時(shí)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法，都是直接或間接從反電勢信息中獲得轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，具體方法主要包括：基于電機(jī)數(shù)學(xué)方程的直接計(jì)算法、模型參考自適應(yīng)法、觀測器法和人工智能算法等。（1）基于電機(jī)數(shù)學(xué)方程的直接計(jì)算法

該方法的基本出發(fā)點(diǎn)是電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，通過檢測定子電壓和電流，采用直接計(jì)算的方法得到轉(zhuǎn)速和位置信息。根據(jù)選用的數(shù)學(xué)方程不同，分為反電勢估計(jì)法和磁鏈估計(jì)法。（2）模型參考自適應(yīng)法

模型參考自適應(yīng)法（modelreferenceadaptivesystem，MRAS）是較為常見的無位置傳感器控制方法。它主要包括三個(gè)基本要素：參考模型、可調(diào)模型和自適應(yīng)算法。（3）觀測器法

觀測器法本質(zhì)在于系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)，構(gòu)造一個(gè)與實(shí)際系統(tǒng)等價(jià)的估計(jì)系統(tǒng)。估計(jì)系統(tǒng)的輸入信號是實(shí)際系統(tǒng)中被檢測的信號，在一定的條件下，它的輸出信號可以等價(jià)于實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)。該方法具有適應(yīng)性好和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但是，該算法較復(fù)雜，計(jì)算量大。目前，常用于永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的主要有：全階狀態(tài)觀測器、降階狀態(tài)觀測器、滑模觀測器（sliding-modeobserver，SMO）和擴(kuò)展卡爾曼濾波器（ExtendedKalmanFilter，EKF）。（4）人工智能算法

人工智能算法在永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制中的應(yīng)用處于起步階段，它通過模仿、跟隨或?qū)W習(xí)等手段，對非線性系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特征進(jìn)行辨識，具有較高的自適應(yīng)能力，但也存在著控制算法復(fù)雜、計(jì)算量大等問題，離實(shí)用化尚有一段距離。4．全速度范圍內(nèi)無位置傳感器控制技術(shù)的研究復(fù)合控制方法的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)兩類方法的平滑切換，確保切換區(qū)間內(nèi)不出現(xiàn)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速跳變的現(xiàn)象，維持控制系統(tǒng)穩(wěn)定。這需要根據(jù)被控電機(jī)的反電勢大小，選擇最佳轉(zhuǎn)速切換點(diǎn)或者切換區(qū)間，切換方法主要有滯環(huán)切換和加權(quán)算法切換。7.4永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與原理7.4.1永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)將永磁同步電機(jī)的磁場和反電勢盡量設(shè)計(jì)為方波即可得到永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）。7.4.2永磁無刷直流電機(jī)的極槽配合電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一直是制約永磁無刷直流電機(jī)性能提高的一個(gè)重要瓶頸，影響電機(jī)在性能要求更高領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，主要包括齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、非理想反電動(dòng)勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。齒槽轉(zhuǎn)矩和換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要分量。齒槽轉(zhuǎn)矩是電機(jī)電樞繞組沒有電流時(shí)永磁體與定子鐵心相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，定義為電機(jī)不通電時(shí)磁場能量相對于位置角α的負(fù)倒數(shù)，即：2）本電機(jī)使用的是矩形永磁體，且永磁體采用平行充磁方式，因此任意θ角對應(yīng)的永磁體磁化方向的長度相等，即為一常數(shù)

。對

、

兩式進(jìn)行傅里葉展開，并對

求一階導(dǎo)數(shù)，得到齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式：另外，輪轂電機(jī)要求軸向長度較小，要盡量減小繞組的端部長度，因此采用集中繞組的形式是很有必要的，這種繞組形式一個(gè)線圈只繞在一個(gè)齒上，大大縮短了繞組端部，使電機(jī)的軸向尺寸減小。采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機(jī)要滿足以下條件：

,

，

在定子繞組線圈矢量星形圖中選取適當(dāng)個(gè)數(shù)的矢量槽號，平均分給三相，構(gòu)成定子繞組，選取原則如下：1）由于實(shí)際上只有51組線圈。2）由于同一個(gè)槽號的正負(fù)兩個(gè)線圈矢量，代表同一個(gè)線圈的兩種不同方向的電流（正電流和負(fù)電流）。因此，同一相繞組同一號碼的正負(fù)線圈矢量只能選取其中一個(gè)。3）為獲得較高的繞組分布系數(shù)，提高繞組的利用率，每相所選的線圈矢量比較集中。4）每相繞組求出其合成磁動(dòng)勢后，磁動(dòng)勢大小相等，而且在相位上相差120°電角度，以保證三相繞組對稱。7.4.3永磁無刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理永磁無刷直流電機(jī)的工作原理和永磁直流電機(jī)相同，都是磁場中的通電線圈會(huì)受到安培力。永磁無刷直流電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先要把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。為了能產(chǎn)生單一方向的電磁轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，無刷直流電機(jī)還要有電子換相器來使定子繞組產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場在空間上保持90°的平均電角度。這樣就使得這兩個(gè)磁場產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電機(jī)不停地旋轉(zhuǎn)。7.4.4永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與永磁同步電機(jī)傾向于采用d-q坐標(biāo)變換進(jìn)行建模不同，永磁無刷直流電機(jī)傾向于采用狀態(tài)空間方程進(jìn)行建模。假定：1）三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場也對稱分布；2）忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等的影響；3）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；4）磁路不飽和，不計(jì)磁滯損耗和渦流損耗；5）不計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械損耗和阻尼損耗。永磁無刷直流電機(jī)模型的動(dòng)態(tài)方程可以表示為7.5永磁無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)7.5.1逆變器與開關(guān)策略現(xiàn)有兩種永磁無刷直流電機(jī)的開關(guān)策略：兩相120°導(dǎo)通策略三相180°導(dǎo)通策略區(qū)間（°）導(dǎo)通器件相A，B，C0~60S1，S6+，0，-60~120S2，S60，+，-120~180S2，S4-，+，0180~240S3，S4-，0，+240~300S3，S50，-，+300~360S1，S5+，-，0區(qū)間（°）導(dǎo)通器件相A，B，C0~60S1，S5，S3+，-，+60~120S1，S5，S6+，-，-120~180S1，S2，S6+，+，-180~240S4，S2，S6-，+，-240~300S4，S2，S3-，+，+300~360S4，S5，S3-，-，+7.5.2提前角控制當(dāng)永磁無刷直流電機(jī)的速度超過基速時(shí)，相電流難以滿足需要，其原因在于所施加電壓與反電動(dòng)勢之間存在微小差別。在此速度下，相電流可能只是達(dá)到所需水平，然后在導(dǎo)通周期結(jié)束時(shí)關(guān)斷。而通過有意識的提前控制相電流的導(dǎo)通角，稱為提前角控制，相電流能夠具有充足的上升時(shí)間，在高速運(yùn)行時(shí)保持相電流與反電動(dòng)勢同相位。7.6輪轂電機(jī)技術(shù)7.6.1輪轂電機(jī)的研究背景輪轂電機(jī)內(nèi)置于車輪內(nèi)，直接驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)而無需復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)，最大化提升了電動(dòng)汽車可利用空間，能大幅提高傳動(dòng)效率。簡化的動(dòng)力系統(tǒng)，有利于電動(dòng)汽車輕量化設(shè)計(jì)，增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。而且多個(gè)輪轂電機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng)，線控動(dòng)力系統(tǒng)可以靈活分配車輪轉(zhuǎn)矩，徹底避免了傳統(tǒng)機(jī)械式差速器的缺點(diǎn)，大幅提高車輛的操控性能。7.6.2輪轂電機(jī)的研究現(xiàn)狀Colt電動(dòng)汽車是由日本三菱公司推出的多臺輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車。法國TM4公司設(shè)計(jì)制造的一體化輪轂電機(jī)。德國舍弗勒公司與美國福特汽車共同推出了eWheelDrive輪轂電機(jī)。國內(nèi)廣汽集團(tuán)給傳祺汽車開發(fā)的輪轂電機(jī)。輪轂電機(jī)雖然具有其突出的優(yōu)點(diǎn)，但也帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：1）輪轂電機(jī)系統(tǒng)集驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、承載等多種功能于一體，優(yōu)化設(shè)計(jì)難度大2）車輪內(nèi)部空間有限，對電機(jī)功率密度性能要求高，設(shè)計(jì)難度大；3）電機(jī)與車輪集成導(dǎo)致非簧載質(zhì)量較大，惡化懸架隔振性能，影響不平路面行駛條件下的車輛操控性和安全性，輪轂電機(jī)將承受很大的路面沖擊載荷，電機(jī)抗振要求苛刻；4）在車輛大負(fù)荷低速爬長坡工況下，容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致的輪轂電機(jī)過熱燒毀問題，電機(jī)的散熱和強(qiáng)制冷卻問題需要重視；5）車輪部位容易積存水和污物等，導(dǎo)致電機(jī)被腐蝕破壞，電機(jī)壽命、可靠性會(huì)受影響；6）輪轂電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)可能會(huì)引起汽車輪胎、懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，以及其他整車聲振問題。7.6.3輪轂電機(jī)的特點(diǎn)分析集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）以電子差速控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外車輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且精度更高2）取消機(jī)械差速裝置有利于動(dòng)力系統(tǒng)減輕質(zhì)量，提高傳動(dòng)效率，降低傳動(dòng)噪聲；3）有利于整車總布置的優(yōu)化和整車動(dòng)力學(xué)性能的匹配優(yōu)化；4）多個(gè)冗余電機(jī)分布驅(qū)動(dòng)，具有故障備份功能，可靠性高。輪轂電機(jī)方式具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：1）可以完全省略傳動(dòng)裝置，整體動(dòng)力利用效率大大提高；2）輪轂電機(jī)使整車總布置可以采用扁平化的底盤結(jié)構(gòu)形式，車內(nèi)空間和布置自由度得到極大的改善；3）車身上幾乎沒有大功率的運(yùn)動(dòng)部件，整車振動(dòng)、噪聲和舒適性得到極大的改善；4）輪轂電機(jī)方式便于實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)形式，有利于極大地改善整車的動(dòng)力性能；5）輪轂電機(jī)作為執(zhí)行元件，具有響應(yīng)速度快和準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)包括線控驅(qū)動(dòng)、線控制動(dòng)以及線控整車動(dòng)力學(xué)控制在內(nèi)的整車動(dòng)力學(xué)集成控制，提高整車的主動(dòng)安全性。7.7混合勵(lì)磁電機(jī)技術(shù)7.7.1混合勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)混合勵(lì)磁電機(jī)是一種永磁和電磁共同提供磁場的電機(jī)，采用具有“三高”磁特性即高剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、高矯頑力和高磁能積的稀土永磁材料勵(lì)磁，使電機(jī)比功率增大；主要靠永磁提供磁場，勵(lì)磁繞組電流小，勵(lì)磁損耗少，電機(jī)的效率提高，并且具有良好的弱磁擴(kuò)速和電壓控制性能。7.7.2混合勵(lì)磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀1.永磁極與電勵(lì)磁極串聯(lián)磁勢結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁電機(jī)該電機(jī)是將永磁同步電機(jī)的一部分或全部永磁磁極用鐵磁磁極代替。2．永磁極與電勵(lì)磁極間隔排列的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)3.雙凸極結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁電機(jī)4.順極結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁電機(jī)5.轉(zhuǎn)子磁分路切向磁場混合勵(lì)磁電機(jī)6.盤式結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁電機(jī)7.永磁與爪極電磁并列混合勵(lì)磁電機(jī)7.8永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)7.8.1永磁同步磁阻電機(jī)的提出使用稀土永磁材料的永磁同步電機(jī)是目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流，現(xiàn)有的稀土產(chǎn)量和儲量將逐漸無法滿足未來電動(dòng)汽車的增長需求。基于上述現(xiàn)狀，國外學(xué)者提出了一種永磁輔助式同步磁阻電機(jī)（PMA-synRM），又稱為永磁同步磁阻電機(jī)或永磁磁阻電機(jī)，該電機(jī)綜合了永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。1）交直軸電感相差很大；2）與相同轉(zhuǎn)矩能力的永磁同步電機(jī)相比，所需要的永磁體用量少，亦可采用低成本的鐵氧體永磁材料，減少電機(jī)制造成本;3）與感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)及同步磁阻電機(jī)相比，具有較高的轉(zhuǎn)矩密度、效率和功率因數(shù)，利于減小逆變器的容量;4）電機(jī)永磁體只起到輔助作用，電樞磁場對主磁場調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，調(diào)速性能優(yōu)異。7.8.2永磁同步磁阻電機(jī)的研究現(xiàn)狀四層隔磁橋的PMA-synRM，并將永磁體放置在最內(nèi)層隔磁橋中防止退磁，通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電機(jī)利用永磁同步電機(jī)1/4的永磁材料，能夠達(dá)到與其相近的效率。同期他們檢驗(yàn)了PMA-synRM的弱磁調(diào)速性能，指出該種電機(jī)與同步磁阻電機(jī)相比不僅具有寬速調(diào)節(jié)范圍，還顯著提高了電機(jī)的效率和功率因數(shù)。意大利AlfredoVagati教授和NicolaBianchi教授及其科研團(tuán)隊(duì)也對PMA-synRM進(jìn)行了比較全面的研究。意大利的NicolaBianchi教授早期研究同步磁阻電機(jī)，后期將其研究成果逐步運(yùn)用到PMA-synRM，通過轉(zhuǎn)子隔磁橋的設(shè)計(jì)大大降低了PMA-synRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。美國威斯康星大學(xué)對軸向疊片結(jié)構(gòu)的同步磁阻電機(jī)做了較多的研究工作，分析了隔磁層占比、轉(zhuǎn)子層數(shù)、鐵心飽和以及齒槽形狀等對轉(zhuǎn)矩性能的影響。汽車磁阻類電機(jī)第8章8.1磁阻類電機(jī)概述8.1.1磁阻類電機(jī)的提出目前研究的磁阻類電機(jī)主要有開關(guān)磁阻電機(jī)（SwitchedReluctanceMachine，SRM）、雙凸極電機(jī)（DoublySalientMachine，DSM）和磁通切換電機(jī)（Flux-SwitchingMachine，F(xiàn)SM）。開關(guān)磁阻電機(jī)作為20世紀(jì)70年代興起的新型電機(jī)，與其他各種調(diào)速電機(jī)相比有較大結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。首先，開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子是簡單的疊片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且經(jīng)濟(jì)；其次，開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有電勵(lì)磁繞組或永磁體，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對溫度不敏感，電機(jī)的最高運(yùn)行溫度取決于絕緣系統(tǒng)，因此可在高速下運(yùn)行，而且高溫環(huán)境的運(yùn)行能力良好；另外，開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)也既可以作電動(dòng)機(jī)，又可以作發(fā)電機(jī)，在不改變硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下可以自如地實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、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(jì)人員設(shè)計(jì)了飛輪式的16/12極開關(guān)磁阻電機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，電機(jī)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(lì)磁的雙凸極永磁電機(jī)，該電機(jī)將永磁體置于電機(jī)定子軛部，如圖8-2a所示。除了切向勵(lì)磁式DSPM結(jié)構(gòu)，Lipo教授還提出了徑向勵(lì)磁式的DSPM電機(jī)，如圖8-2b所示[34]。磁通切換電機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)定子凸極表面的磁通反向永磁電機(jī)(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(jī)定子齒間的磁通切換永磁電機(jī)(flux-switchingpermanent-magnetmachine，F(xiàn)SPM)，如圖8-5所示。磁通切換電機(jī)可以看做是切向勵(lì)磁的磁通反向電機(jī)，都具有雙極性的磁鏈并且工作過程中實(shí)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(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和磁通切換永磁電機(jī)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(jī)的分類除了按照上述原理將磁阻類電機(jī)分為開關(guān)磁阻電機(jī)、雙凸極電機(jī)和磁通切換電機(jī)之外，業(yè)界還經(jīng)常按照結(jié)構(gòu)、功能、控制等不同進(jìn)行分類如下：1）按照功能不同可分為：電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)發(fā)電機(jī)；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(lì)磁方式的不同可分為（開關(guān)磁阻無此分類）：永磁式、電勵(lì)磁式和混合勵(lì)磁式。其中按照勵(lì)磁方式的不同進(jìn)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(jī)的基本結(jié)構(gòu)與原理8.2.1開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)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(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)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(jī)”。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(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為磁阻性質(zhì)，為了保證電機(jī)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(shí)，相鄰的定、轉(zhuǎn)子齒的軸線應(yīng)錯(cuò)開1/m個(gè)轉(zhuǎn)子極距。為了避免單邊磁拉力現(xiàn)象的發(fā)生，電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)單相開關(guān)磁阻電機(jī)的功率電路只需要一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)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(jī)可以作為小功率電機(jī)，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(jī)圖8-7是兩相開關(guān)磁阻電機(jī)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(dòng)能力，且存在較大的轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”。為了可靠地自起動(dòng)，通常兩相開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)。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(dòng)。另外，可以把轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)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(jī)可以自起動(dòng)。4.

三相開關(guān)磁阻電機(jī)三相開關(guān)磁阻電機(jī)是一種常見的電機(jī)結(jié)構(gòu)。三相及以上電機(jī)均具備正、反轉(zhuǎn)自起動(dòng)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(jī)。三相6/4極是最少極數(shù)、最少相數(shù)的可雙向自起動(dòng)的開關(guān)磁阻電機(jī)；三相12/8極實(shí)際上為一種兩的6/4極電機(jī)，每轉(zhuǎn)24個(gè)步距，步進(jìn)角為15°，可以減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。4.

三相開關(guān)磁阻電機(jī)三相開關(guān)磁阻電機(jī)是一種常見的電機(jī)結(jié)構(gòu)。三相及以上電機(jī)均具備正、反轉(zhuǎn)自起動(dòng)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(jī)。三相6/4極是最少極數(shù)、最少相數(shù)的可雙向自起動(dòng)的開關(guān)磁阻電機(jī)；三相12/8極實(shí)際上為一種兩的6/4極電機(jī)，每轉(zhuǎn)24個(gè)步距，步進(jìn)角為15°，可以減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。5.

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

五相及以上開關(guān)磁阻電機(jī)采用五相或更多相數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)可以獲得更為平順的電磁轉(zhuǎn)矩，大幅度降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，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(diǎn)，電機(jī)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(jī)的基本原理開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)交直流電機(jī)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(shí)，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(jī)的結(jié)構(gòu)原則是要求轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)為例說明開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理。圖8-11所示為三相12/8極開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)動(dòng)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(jī)的基本電磁關(guān)系理解和掌握開關(guān)磁阻電機(jī)的基本電磁關(guān)系有利于深入認(rèn)識開關(guān)磁阻電機(jī)。本小節(jié)從理想線性化開關(guān)磁阻電機(jī)、實(shí)際開關(guān)磁阻電機(jī)的物理狀態(tài)和開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型三個(gè)方面介紹電機(jī)的基本電磁關(guān)系。1.

理想線性化開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)模型的基本電磁關(guān)系開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)在運(yùn)行期間的開關(guān)性和可控性，使得電機(jī)的各個(gè)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(jī)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(jìn)行研究。作出假設(shè)如下：1）不計(jì)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(jì)；3）忽略所有的功率損耗；4）功率管的開關(guān)動(dòng)作是瞬時(shí)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(jī)的一相繞組的主電路圖。當(dāng)電機(jī)由恒定直流電源Us供電時(shí)，一相電路的電壓、方程為：式中，“+”對應(yīng)于繞組與電源接通時(shí)，“-”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(dá)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(dá)式是一個(gè)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?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)電感恒為最小值

且無運(yùn)動(dòng)電動(dòng)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(gè)完整的電流解析式，它是關(guān)于電源電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)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(shí)，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(shí)間增加，電流峰值和電流波形的寬度增大，可以提高電機(jī)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(huì)使電流過大，對增加電機(jī)功率作用不大，卻使得效率降低、振動(dòng)和噪聲增大，電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性也會(huì)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(huì)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(jī)控制的輔助手段。3）電流的大小和供電電壓成正比，與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比。在電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，如起動(dòng)時(shí)，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(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，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(dá)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(jī)的磁路不飽和。此時(shí)，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(jī)的工作原理，定性分析電機(jī)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(jī)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(jī)的出力。2）電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比?？紤]實(shí)際中電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩）。因此，我們可以通過改變繞組的通電時(shí)刻來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向，而改變電流的方向不會(huì)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(dòng)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(huì)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(dòng)機(jī)的物理狀態(tài)在實(shí)際開關(guān)磁阻電機(jī)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(shí)際中的電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算比理想線性模型復(fù)雜得多。開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是通過磁共能計(jì)算的，不同轉(zhuǎn)子位置下的磁化曲線是開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)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(jī)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(jī)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(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩的解析式為：8.2.5開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型對于m相開關(guān)磁阻電機(jī)，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(jī)械端口的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的計(jì)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?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)的特點(diǎn)，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(jī)械運(yùn)動(dòng)方程根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：4.

轉(zhuǎn)矩公式開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)的控制策略8.3.1開關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)1.開關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的組成開關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)（SwitchedReluctanceDrive，SRD）是一種新型機(jī)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(jī)、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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1）電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適于高速運(yùn)行。開關(guān)磁阻電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)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(jī)械強(qiáng)度高，電動(dòng)機(jī)可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不至變形，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于實(shí)現(xiàn)加、減速。2）功率電路簡單可靠。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)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(gè)功率開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)簡單。另外，系統(tǒng)中的每個(gè)功率開關(guān)器件均直接與電動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)功率變化器的保護(hù)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(dòng)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?yàn)橐环矫骐妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不存在繞組銅耗，另一方面電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。4）高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低起動(dòng)電流、適用于頻繁起停和正反轉(zhuǎn)速運(yùn)行。從電源側(cè)吸收較少的電流，在電動(dòng)機(jī)側(cè)得到較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。5）可控參數(shù)多，調(diào)速性能好。控制開關(guān)磁阻電機(jī)的主要運(yùn)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(yùn)行要求和電動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況采用不同的控制方法和參數(shù)值。使電機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)（如出力最大、效率最高等），還可以使電機(jī)實(shí)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)也存在著一些不足，主要為：6）存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。開關(guān)磁阻電機(jī)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(gè)恒定值，而是存在一定的諧波，使電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)存轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。7）振動(dòng)和噪聲比傳統(tǒng)同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)大。8）開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)的控制方式開關(guān)磁阻電機(jī)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(shí)刻，調(diào)節(jié)相電流的波形，實(shí)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(diǎn)：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(shí)導(dǎo)通多相。同時(shí)導(dǎo)通相數(shù)越多，電機(jī)出力越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小。當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，自動(dòng)增加或減少同時(shí)導(dǎo)通相數(shù)是角度控制方式。3）電機(jī)運(yùn)行的效率高。通過角度優(yōu)化能使電機(jī)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(dòng)勢限制。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)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(jī)低速運(yùn)行特別是在起動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)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(jī)造成的損壞，需要對電流峰值進(jìn)行限定。因此，可以采用電流斬波控制，獲得恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性。電流斬波控制一般不會(huì)對開通角、關(guān)斷角進(jìn)行控制，它將直接選擇在每相的特定導(dǎo)通位置對電流進(jìn)行斬波控制?？偨Y(jié)起來，電流斬波控制具有以下特點(diǎn)：1）適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行的電機(jī)。在低速運(yùn)行時(shí)，繞組中的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢小，電流增長快。在制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢的方向與繞組端電壓方向相同，電流比低速運(yùn)行時(shí)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(hù)和調(diào)節(jié)效果。2）轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。電流斬波控制時(shí)，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(dòng)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(shí)近似成立）時(shí)，繞組電流波形近似平頂方波。平頂方波的幅值對應(yīng)電機(jī)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(shí)，抗負(fù)載擾動(dòng)性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。提高調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的快速響應(yīng)，除了轉(zhuǎn)速檢測調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快外，系統(tǒng)自身的機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載擾動(dòng)的作用下發(fā)生突變時(shí)，電流風(fēng)中無法自動(dòng)適應(yīng)，系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的動(dòng)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(jìn)而改變繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)對于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。增大調(diào)制脈沖的頻率，會(huì)使電流的波形比較平滑，電機(jī)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(huì)增大。8.3.3開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器功率變換器是開關(guān)磁阻電機(jī)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(shí)還為繞組的儲能提供回饋路徑。開關(guān)磁阻電動(dòng)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(jì)功率變換是開關(guān)磁阻電機(jī)電動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。性能優(yōu)良的功率變換器應(yīng)同時(shí)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(dòng)機(jī)的繞組上；3）主開關(guān)器件的電壓額定值與電動(dòng)機(jī)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(shí)導(dǎo)通時(shí)，直流電源向電機(jī)相繞組供電；當(dāng)VT1和VT2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，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(jī)的磁場能量以電能的形式迅速回饋電源，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(jī)系統(tǒng)，三相開關(guān)磁阻電動(dòng)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(jī)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(gè)功率開關(guān)器件和一個(gè)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(gè)大電容C1和C2分壓，得到中點(diǎn)電位

四相繞組的一端共同接至電源的中點(diǎn)。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(gè)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(diǎn)電位的較大浮動(dòng)。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(diǎn)是可以實(shí)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(gè)主開關(guān)外，各相還有一個(gè)公共開關(guān)VT。公共開關(guān)對供電相實(shí)施斬波控制，當(dāng)VT和VT1同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源向A相繞組供電；當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT關(guān)斷時(shí)，A相電流經(jīng)VD1續(xù)流。當(dāng)VT和VT1都關(guān)斷時(shí)，電源經(jīng)過VD和VD1反加于A相繞組兩端，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫續(xù)流換相；若VT導(dǎo)通，VT1關(guān)斷時(shí)，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(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。8.4雙凸極電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與原理8.4.1雙凸極電機(jī)的的基本結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)是在開關(guān)磁阻電機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型電機(jī)，是電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)、集成電機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。與開關(guān)磁阻電機(jī)相比，雙凸極電機(jī)在定子軛上增加了一套勵(lì)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(jī)存在本質(zhì)的區(qū)別?；镜娜嚯p凸極電機(jī)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(jī)的磁路特性等效為兩臺6/4結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)，因此本章以6/4結(jié)構(gòu)電機(jī)為例，分析其磁路、結(jié)構(gòu)特性。8.4.2雙凸極電機(jī)的磁路特性雙凸極電機(jī)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(jī)參數(shù)和各個(gè)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(jī)的磁路飽和邊緣效應(yīng)的影響，也就是近似認(rèn)為空載時(shí)電機(jī)參數(shù)和各個(gè)物理量只和轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，稱這種簡化的電機(jī)模型為線性模型。與其他電機(jī)一樣，反映雙凸極電機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)，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(shí)，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(shí)，其磁鏈、電感值為最大，而定、轉(zhuǎn)子極、槽相對時(shí)，磁鏈、電感值最小。8.4.3電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括磁路方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械方程。這些數(shù)學(xué)模型描述了雙凸極電機(jī)各個(gè)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(jī)以脈動(dòng)磁場進(jìn)行工作，氣隙磁場空間分布不均勻，類似于開關(guān)磁阻電機(jī)，運(yùn)行中遵循“磁阻最小原理”。但是工作原理與開關(guān)磁阻電機(jī)比較有較大的不同。雖然雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)和磁路飽和效應(yīng)的影響使電機(jī)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(jī)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(jī)械方程8.4.4雙凸極電機(jī)的原理電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)勵(lì)磁繞組中通過一定電流時(shí)，將在電機(jī)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(jī)三相繞組通電，可使電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，從而連續(xù)旋轉(zhuǎn)。若外加機(jī)械力使電機(jī)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(jī)既可電動(dòng)運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)工作原理雙凸極電機(jī)電動(dòng)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(dòng)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(jī)的半周控制模式。單相控制是指在任一時(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)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(dòng)勢，發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢波形非正弦，一般應(yīng)用時(shí)后接整流電路，作為無刷直流發(fā)電機(jī)輸出直流電。因發(fā)電時(shí)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(jī)本節(jié)首先分析多相雙凸極電機(jī)的極數(shù)和極弧系數(shù)，確定不同相的雙凸極電機(jī)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(jī)作簡要說明。1.

多相雙凸極電機(jī)的極數(shù)（1）定子極數(shù)約束

傳統(tǒng)的m相電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的勵(lì)磁繞組跨m個(gè)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(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)極，定子繞組便會(huì)感應(yīng)出一個(gè)周期的電動(dòng)勢。因此，DSEM的轉(zhuǎn)子極數(shù)直接決定一個(gè)周期機(jī)械角的大小，即：

2.多相雙凸極電機(jī)的極弧系數(shù)由于雙凸極電機(jī)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(jī)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(gè)轉(zhuǎn)子極嚙入B相定子極時(shí)，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(gè)決定電感上升或者下降區(qū)的機(jī)械角。對于定子極相對較窄的電機(jī)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(jī)任意時(shí)刻相電感在變化的個(gè)數(shù)，即能夠同時(shí)出力的相數(shù)，x≦m，x越大，能同時(shí)出力的相數(shù)越多，容錯(cuò)能力越強(qiáng)。對于三相雙凸極電機(jī)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(shí)間該相電感在變化。同理，對于m相雙凸極電機(jī)來說，在x/m的時(shí)間內(nèi)一相繞組的電感在變化，因此多相雙凸極電機(jī)的一相電勢波形電角度為：對于12/8極三相電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，為保證其勵(lì)磁繞組反電勢為零，其勵(lì)磁繞組鏈接的磁路總磁導(dǎo)應(yīng)不變，即在任意時(shí)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(jī)的單相電感上升區(qū)的機(jī)械角應(yīng)該占轉(zhuǎn)子極距的1/3與三相雙凸極電機(jī)類似，傳統(tǒng)的四相雙凸極電機(jī)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(jī)單元電機(jī)的極數(shù)，及其定子極弧系數(shù)，這為多相雙凸極電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。同理，本文給出的多相雙凸極電機(jī)約束條件也適用于永磁雙凸極電機(jī)和混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)。3.

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

兩相電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)圖8-43是一種兩相結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)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(jī)定子圓周上均勻分布了8個(gè)定子極，每個(gè)定子極上裝有電樞繞組元件，轉(zhuǎn)子上有6個(gè)均勻分布的轉(zhuǎn)子極。電機(jī)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(lì)磁雙凸極電機(jī)根據(jù)前文分析可知，三相電機(jī)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(jī)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(jī)，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(jī)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(lì)磁雙凸極電機(jī)四相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機(jī)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(jī)。勵(lì)磁繞組跨三個(gè)極繞制，在每相繞組的三個(gè)線圈中，兩個(gè)線圈匝鏈的磁路磁阻較小，另一個(gè)線圈匝鏈的磁路磁阻較大。由于各相繞組皆有上述的三個(gè)線圈串聯(lián)組成，各相繞組的各個(gè)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(shí)現(xiàn)了電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)四相電感的對稱。7.

五相電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)對于五相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機(jī)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(jī)，勵(lì)磁繞組跨三個(gè)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(gè)包含N極和S極的完整磁路要6個(gè)定子極，6和相數(shù)5的最小公倍數(shù)為30。8.

六相電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)六相結(jié)構(gòu)的雙凸極電機(jī)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(jī)，定子極弧系數(shù)為0.4，轉(zhuǎn)子的極弧系數(shù)為0.5。勵(lì)磁繞組跨一個(gè)定子極繞制。該電機(jī)每個(gè)定子極上都有一個(gè)勵(lì)磁繞組和一個(gè)電樞線圈，勵(lì)磁繞組由12個(gè)勵(lì)磁線圈串聯(lián)組成，兩個(gè)相鄰的勵(lì)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(jī)械角的兩個(gè)集中線圈可串聯(lián)組成。電樞繞組和勵(lì)磁繞組都是集中式繞組且繞向相同。圖8-51b給出了各個(gè)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(gè)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(lì)磁雙凸極電機(jī)混合勵(lì)磁雙凸極電機(jī)（DoublySalientHybridExcitationMachine,DSHEM）由多個(gè)勵(lì)磁磁源性質(zhì)不同的雙凸極單元電機(jī)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(shí)，DSHEM還具有能調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁場的勵(lì)磁線圈，電壓調(diào)節(jié)特性好。即混合勵(lì)磁電機(jī)在具備永磁電機(jī)高效率這一優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還兼?zhèn)淞穗妱?lì)磁電機(jī)勵(lì)磁磁場容易控制的特點(diǎn)。當(dāng)DSHEM工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以應(yīng)用于伺服驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)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(diǎn)。當(dāng)DSHEM工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，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(jī)的勵(lì)磁磁源為4塊條形永磁體和1套勵(lì)磁繞組元件。圖中的箭頭表示永磁體和勵(lì)磁繞組產(chǎn)生極性交錯(cuò)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(jī)的控制技術(shù)8.5.1單相工作模式與雙相工作模式電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)有單相繞組通電和兩相繞組通電兩種起動(dòng)方式。單相工作模式存在轉(zhuǎn)矩死區(qū)，為了增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、消除起動(dòng)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(jī)電動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換控制圖8-57給出了雙凸極電機(jī)電動(dòng)發(fā)電轉(zhuǎn)換控制的系統(tǒng)框圖。勵(lì)磁控制開關(guān)E、起動(dòng)電源開關(guān)S閉合，起動(dòng)電源通過功率變化器向電機(jī)繞組供電，勵(lì)磁電源通過勵(lì)磁開關(guān)接入勵(lì)磁功率電路。根據(jù)控制策略的不同，可以將整個(gè)起動(dòng)過程分為三個(gè)階段：軟起動(dòng)階段、標(biāo)準(zhǔn)角度控制階段、提前角度控制階段；整個(gè)起動(dòng)過程，外部主電路不需要進(jìn)行任何改變。（1）軟起動(dòng)階段起動(dòng)開始時(shí)，為消除發(fā)動(dòng)機(jī)部件的嚙合間隙，減輕對發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，先在較小的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下工作。（2）標(biāo)準(zhǔn)角度控制階段軟起動(dòng)后電機(jī)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(shí)，反電勢比較高，電樞繞組的電流上升率就會(huì)下降，提前導(dǎo)通，用較長的時(shí)間達(dá)到電流斬波限。1.標(biāo)準(zhǔn)角度控制由于雙凸極電機(jī)的電動(dòng)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(jī)不同，而與開關(guān)磁阻電機(jī)類似。標(biāo)準(zhǔn)角度控制（StandardAngleControlMode,SACM）的通電原則：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子處在某一位置時(shí)，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(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流恒定，電機(jī)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(shí)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(dòng)信號，來控制相應(yīng)的功率開關(guān)管動(dòng)作。表8-3給出了SCAM下邏輯驅(qū)動(dòng)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(gè)角度開通和中斷，即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的提前換相。8.5.3電勵(lì)磁雙凸極電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)電勵(lì)磁雙凸極電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的硬件框圖如圖8-60所示，主要包括電勵(lì)磁雙凸極起動(dòng)/發(fā)電機(jī)拖動(dòng)平臺、功率電路、控制器和上位機(jī)，共四大部分。拖動(dòng)平臺中有兩臺電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)互相作為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)對拖；功率電路包括全橋功率變換器、勵(lì)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(dòng)單元以及串口通信單元等組成；上位機(jī)是通用計(jì)算機(jī)，安裝有軟件LabVIEW8.2和硬件PCI-6251板卡，通過串口和控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)顯示電勵(lì)磁雙凸極起動(dòng)/發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況。1.

功率變換器及其隔離驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)功率變換器包括全橋變換器和勵(lì)磁功率不對稱半橋變換器，全橋變換器為電機(jī)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(lì)磁電流；隔離驅(qū)動(dòng)電路和上述二者配套使用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電隔離。由于IPM內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)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(hù)信號的隔離輸出，光耦HCPL4504用于功率管驅(qū)動(dòng)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(lì)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(dòng)電路采用TLP250芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖8-63所示。2.主控單元TI公司的TMS320F2812DSP是一種專門為電機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)的芯片，它集成了電機(jī)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(dòng)機(jī)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(hù)的模塊。它外圍電路主要包括時(shí)鐘電路、電源管理電路、外部存儲電路以及I/O口電路。（1）時(shí)鐘電路DSP2812芯片需外接時(shí)鐘源以提供系統(tǒng)時(shí)鐘，本系統(tǒng)采用30MHz無源晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘源，在減小對系統(tǒng)干擾的同時(shí)，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(shí)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(jī)存儲器(SARAM)、一塊8K字節(jié)的單口隨機(jī)存儲器、兩塊1K字節(jié)的單口隨機(jī)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(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)了與外部5V電源的匹配，提高了驅(qū)動(dòng)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(lì)磁雙凸極電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，模擬電流環(huán)的電流給定和電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測，都需要通過TMS320F2812DSP將計(jì)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(lì)磁雙凸極電動(dòng)/發(fā)電機(jī)電動(dòng)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(jìn)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(shí)滯環(huán)輸出電平為低，當(dāng)電流反饋小于滯環(huán)下限時(shí)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(shí)保持滯環(huán)信號不變化，如圖8-68所示，其中陰影表示跟前面輸出的電平一致。5.信號采樣與調(diào)理電路電勵(lì)磁雙凸極電動(dòng)/發(fā)電機(jī)電動(dòng)控制時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的電壓和電流信號，然后傳到主控板進(jìn)行計(jì)算控制。而電機(jī)的電壓和電流信號屬于強(qiáng)電信號，主控板及其他控制板都是弱電信號，這就需要將二者隔離開來，以減小干擾。電壓傳感器和電流傳感器分別采用南京茶花港聯(lián)傳感測控技術(shù)有限公司的VSM025A電壓傳感器和CSM100LT電流傳感器，該產(chǎn)品集成了互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路，具有精度高、零漂小、響應(yīng)速度快及抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，使用起來非常方便。圖8-70a、b分別為電壓傳感器和電流傳感器接口電路原理圖。來自電壓傳感器和電流傳感器的信號不能直接被主控板所用，由于TMS320F2812DSP的AD輸入口所能接受的電壓范圍為0—3.0V的單極性電壓信號，為此，必須將傳感器輸出的信號進(jìn)行調(diào)理。如圖8-71所示，以A相電流為例，傳感器輸出的信號經(jīng)過一級電壓跟隨器和絕對值電路處理后得到-3.0—0V之間的電壓信號，然后再通過一級反相運(yùn)算放大電路調(diào)整為正值，使輸入DSPAD口的電壓為0—3.0V之間。對于交流信號，需要對其進(jìn)行絕對值處理，才能作為保護(hù)邏輯處理的比較器輸入，為此設(shè)計(jì)了針對交流信號的絕對值處理電路如圖8-72所示。6.

通訊電路為了能通過上位機(jī)對電勵(lì)磁雙凸極電動(dòng)/發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測和控制，必須采用一種通信接口將上位機(jī)和電機(jī)控制器連接起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)采用基于RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。RS-232是一種非常通用的通信協(xié)議，同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議，大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS-232的串口，很多GPIB兼容的設(shè)備也帶有RS-232口，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，應(yīng)用非常廣泛。串口通信的原理非常簡單，按位(bit)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，盡管比按字節(jié)(byte)的串行通信速度慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)使用另一根線接收數(shù)據(jù)，另外串口還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，最遠(yuǎn)可達(dá)1200米。7.

故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)電壓、電流過大會(huì)損壞功率器件，甚至可能損壞電機(jī)、負(fù)載以及控制器，為此必須采用保護(hù)電路。保護(hù)電路主要用于保證功率變換器或電機(jī)發(fā)生故障時(shí)盡快擺脫危險(xiǎn)工況，防止損壞功率變換器或電機(jī)。本系統(tǒng)主要針對母線過壓過流、三相過流、勵(lì)磁電流過流采取保護(hù)。過流、過壓保護(hù)電路如圖8-75所示，利用可調(diào)電阻設(shè)定保護(hù)門限值，通過比較器LM311組成的比較電路完成與保護(hù)門限值的比較，比較值再經(jīng)過RCD延時(shí)電路，以防止由于尖峰干擾而引起的誤保護(hù)，延時(shí)時(shí)間可通過調(diào)節(jié)RC電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對于IPM，其自帶有IGBT故障保護(hù)和輸出功能，只要出現(xiàn)欠壓、過流、短路或過溫中的任意一種故障情況，故障保護(hù)電路就立即工作，關(guān)斷IGBT，并將故障信號輸出，其故障信號隔離輸出電路如圖8-74所示。8.5.4系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計(jì)控制器的軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP軟件設(shè)計(jì)和CPLD軟件設(shè)計(jì)，其中DSP軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)電動(dòng)過程的控制，其各個(gè)終端服務(wù)子程序可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置檢測、轉(zhuǎn)速檢測、AD采樣處理、電流閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)速外環(huán)PI調(diào)節(jié)、勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)、與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊以及電動(dòng)分階段控制等功能；CPLD程序主要實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制、位置信號處理和顯示、故障信號的處理和顯示以及DA的地址編譯等功能。1.

DSP軟件設(shè)計(jì)電動(dòng)控制系統(tǒng)程序中，主程序初始化首先對DSP所有外設(shè)、程序所用的變量初始化，然后設(shè)置位置捕獲、電流和電壓的AD采樣以及定時(shí)中斷向量寄存器。所有初始化設(shè)置完成后，程序進(jìn)入中斷等待，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的子程序，主程序初始化流程如圖8-75所示。電動(dòng)完成后，需要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在給定值，本文采取轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其原理如圖8-79所示，通過將速度反饋值和速度給定值進(jìn)行比較，由PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出電流值作為電流環(huán)的給定，其PI調(diào)節(jié)器的程序流程圖如圖8-80所示。2.CPLD軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用Lattice公司型號為ispMA4A5192-96的CPLD來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制、位置信號處理和顯示、故障信號的處理和顯示以及DA輸出的地址編譯等功能。由于CPLD可以采用程序的形式來表達(dá)各種邏輯關(guān)系，修改方便，使用靈活，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)。汽車電機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)