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1、开关磁阻电动机的 调速控制理论与设计,江苏大学 电气信息工程学院,第1页,第三章,第四章,第2页,功率变换系统的组成： 电流的整流与滤波； 功率变换的主电路（开关主电路）； 主开关的驱动与保护； 位置与转速的控制； 电流电压的控制。,第三章 SRM功率变换器与控制电路的设计方法,第3页,典型的整流与主开关电路如下图：,第一节 整流与主开关电路,第4页,一、整流电路： 组成：整流模块（普通二极管模块）； 滤波电容（有极性电容，耐压为峰值）； 交流侧保护（阻容，压敏电阻等）； 直流侧保护（电流保护为主）。 元件参数：整流管（平均电流IV，额定电压UC） 滤波电容：C1RP （4 - 5）TP（脉动
2、周期） C2 与 Rp 为经验参数 C2 ：10-7 10-8 F RP ：,输入电压波形,电容电压与整流桥输出电流,交流侧输入电压与输入电流,第5页,第6页,二、主开关电路：,1. 常用的主电路的结构与特点：,双开关式主电路,第7页,电容分压式主电路,第8页,双绕组式主电路,第9页,公共开关式主电路,第10页,2主电路开关元件的介绍与选择,元件介绍,、主电路开关元件的介绍与选择,（1）SCR：高电压、大电流、大功率容量、低正向压降， 速度慢（几百Hz） 4500A/12000V ；,（2）GTR：自关断、小功率、速度较快（几十KHz）存在 二次击穿现象 1000A/1800V ；,（3）GT
3、O：（可关断可控硅），优点同SCR，加上可自关断 6000A/6500V；缺点：关断控制电流太大，应用复杂；,（4）MOSFET：电压控制型，小功率，正向压降大，速度快 （2MHZ）150A/1000V ；,（5）IGBT：集成功率模块，具有MOSFET与GTR的双重优 点， 速度与MOSFET相当1000A/4500V；,第11页,（6）IPM：驱动、过压、过流、短路、过热，且电压保护与主 电路元件封装在一起， （主电路可有不同类型，要根据 型号，主要为IGBT，注入增强型栅晶体管）；,（7）MCT：MOS控制晶闸管，也叫MOS-GTO（50A/1000V）取代 SCR、GTR、排挤IGBT
4、 ；,（8）IGCT：集成门极换向晶闸管（GCT） （V：4500V；ITGQ : 4000A） 串上N沟道和P沟道MOSFET，关断时电流全部从门极流出。,MOSFET内部结构断面示意图,电气图形符号,第12页,（一）漏极额定电流ID和峰值电流IDM （二）通态电阻rDS(ON) （三）阀值电压UGS(th) （四）漏源击穿电压U(BR)DSS （五）最大结温TJM （六）最大耗散功率PD （七）热阻,第13页,第14页,第15页,IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,第16页,IGBT的开关过程,第17页,第18页,参数选择：额定电压、额定电流、工作频率 电压和电流
5、： 双开关式主电路，开关管承受电压=电源电压； 开关管的平均电流=(1/N)总电流； 电容分压式主电路： 与双开关式主电路相同，但电机绕组电压仅为双开关电 路的1/2； 双绕组式主电路： 主开关管承受电压 = 2电源电压； 电流同上 公共开关式主电路： 主开关管承受电压=电源电压； 相开关管承受电压=2电源电压； 主开关管的电流=Ie ； 相开关管的电流=Ie/N,三、主开电路的保护,1电压保护,续流电路要合理可靠，开通，恢复速度要大于主开管。R、C、D瞬态电压保护。,第19页,图：R、C、D关断保护电路,RS为漏感储能的释放电阻，DS是抑制集电极尖峰电压阻尼振荡二极管，CS为开断吸收电容，以
6、减少开关管的关断损耗和保护瞬间尖峰电压击穿开关管。,关断时的负载线,第20页,第21页,参数计算原则：,依据： 开关管的关断时间tf 相电流Iph 电源电压Us 电流斩波频率f,第22页,2电流保护,采用开关管的正向压降作为基本信号，采用专用电流检测电路进行锁定钳位保护。,采用管压降作为保护信号,第23页,采用外部电流检测的钳位保护,第24页,第二节 主开关管的驱动电路,一、主开关管对驱动电路的基本要求,1. 要能的驱动开关管可靠的饱和导通和可靠的截止关断；,2. 驱动频率能够满足主开管的要求；,3. 具有可靠的隔离能力和抗干扰能力和保护功能。,二、典型器件的驱动和常用模块,1SCR： 主要脉
7、冲变压器，光电隔离器件的驱动。,SCR驱动功能的特点： 进行移相触发； 调功触发。,第25页,常用的如，相移式：,KJ001 KJ011 KM KM ,过零与移相功能兼有，如：,KTM03 (双向晶闸管移相，过零触发),内部全数字 KC168 智能型全数字 KC188,第26页,2GTO导通驱动与SCR相仿，关断要靠快速、较大的反向电流 控制关断，控制比较复杂要求比较高，GTO常用的专用门 极驱动控制集成模块HL301A（加工厂外围的功率电路）。 GTO的驱动是GTO应用技术的关键。目前还在不断研究与发 展（“硬驱动”技术）。,3GTR 驱动的关键技术：是基极合理驱动和快速有效的保 护（比晶闸
8、管要复杂得多）。 国产HL201、HL202、EXB356、EXB357（日本富士合作）、 M57XXX系列（日本三菱合作）等。,4MOSFET各个公司生产器件基本有与其相配套的驱动电路。 典型（合作国产）IR21XX系列。,第27页,5IGBT的使用的关键问题同样是栅极驱动和快速有效的保护 问题，一般情况下，IGBT均采用专用的驱动保护集成模块，加上一些外接元件组成驱动电路，典型的驱动专用模块，EXB850、EXB851（标准型115KHZ）、EXB840、EXB841 （高速型、40KHZ）、M579XX系列、HL40XX系列。,EXB841的应用介绍：,EXB系列驱动器内部结构框图,第2
9、8页,第29页,EXB系列驱动器的引脚图,EXB 的内部电路原理图,第30页,第31页,EXB8系列驱动的典型应用图,M57962L 的内部电路原理图,第32页,M57962L外形图,M57962L 接线图,第34页,VGE=15V时的IGBT（FF200R12KE3）典型输出特性,第35页,第36页,光耦隔离MOSFET驱动器 HCPL3120 TLP250,IR2110 典型接线图,第37页,IR2110 内部原理图,第38页,第39页,IR2130 典型接线图,IR2130驱动模块（可以同时驱动六个MOSFET或IGBT，仅需1个输入级电源，采用悬浮电源连接）。,第40页,IR2130
10、内部原理图,2SD315A原理框图,第41页,具有使能端的双4A低端高速MOSFET驱动器UCC27424,第42页,变压器隔离MOSFET/IGBT驱动电路,第43页,HKX工作原理图,第44页,转子位置信号的测量处理和细分；,常用传感元件：霍尔传感器、光电传感器、 专用磁栅和光栅编码盘。,1. HKX霍尔翼片传感器:,测量原理:,信号的测量与隔离整形,第45页,第46页,典型的光电传感器的检测电路,2. 光电传感器:,位置角度的细分技术：,第47页,1硬件细分：采用锁相环和计数器进行细分,锁相环的基本工作原理,组成：频率鉴相器PC、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO 。,锁相环原理电路,采
11、用锁相环和计数器进行细分原理图,第48页,2数字细分,第49页,方法：,由微处理器（定时计数器）产生高频固定周期的 细脉冲（周期由最高转速下的精度要求来决定）,(2) 对固定角度的脉冲进行计数。,(3) 确定单个小脉冲对应的角度数（ ）,第50页,第三节 位置信号的逻辑与控制,1、基本概念：,定子的极距角： 定、转子的极距差：,转子的齿距角：,相电感的周期角：,第51页,相电感的相位差：,临相可导通的最大间隔为：二相电感的相位差（ ） 各相的理论导通区域： 正反转运行的关系角 ，若 分别为正向运行时的开通角和关断角，则反转关系角 。,第52页,位置传感器的空间间隔角 ：,2、基本概念的说明：,
12、齿盘方案与传感器位置图,控制信号图,8/6极：,6/4极：,第53页,3、逻辑译码与控制,在确定控制策略后，决定SRM相绕组的运行方式，不同的运行方式有不同的位置信号的检测、译码与控制方式。,各相的理论导通角度 22.5，传感器齿、槽均为30, 采用两个传感器SP 、Sa ,空间间隔为:15。,传感盘与传感器的安装图,（若起始角为0, 则SP 装在相轴线前22.5处）,临相导通间隔为:,例如：对于8/6极SRM,运行方式： （1）四相单四拍运行。,第54页,各相控制逻辑为（P装在A相轴线处 ，起始角为 ）,第55页,(2) 四相双拍运行,每相导通,若采用凸凹相间的传感盘（齿宽为 ），采用两个传
13、感器，相间隔为 。 各相控制逻辑为：（起始角由传感器的相对位置决定）,第56页,正反转逻辑控制示意图,第57页,实现上述逻辑的电路为：,8/6级SRM双四拍运行逻辑变换图,（细分前后移动控制，电流斩波控制）,第58页,(3) 6/4极SRM,运行形式: 三相双三拍运行。 三只传感器SP、SQ、SR ，传感器为:齿、槽均为450，则控 制信号的逻辑为：,正反转逻辑控制示意图,第59页,第四节 转速和电流的测量,一. 转速测量,在电机的调速控制系统中，转速的测量关键问题在于实时性和测量的精度。,1、输入反馈量为模拟量,需要将单位时间内脉冲的变化转变成电压大小的变化（位置信号脉冲的占空比不变，周期在
14、变）,第60页,可采用 变换器（注意速度变化引起输出量的波动）,典型的集成芯片： LM2917，LM331,第61页,LM2917 内部原理图,7.56V,第62页,采用LM2917的频压转换电路,C1,R1,第63页,采用LM331的频压转换电路,第64页,2、输入反馈量为数字量,方法：,（1）频率法：在设定时间T内，对输入脉冲计数，即，在某一确定时间内测转速，缺点是低速误差大，高速实时性太差； （2）周期法：在设定的转角Q内，测量所需用的时间，由此计算转速，这种方法在高速时精度和分辨率不够高，但是只要所取的单位时间足够小，选的被测角度足够小，其P实时性和精度均能满足； 若每转用周期法测量N
15、次，测试所用标准脉冲的频率为f0，某一次测量的脉冲数为 ，则转速 （该过程可以通过计算机内的定时计数器来实现）,二、电流的测量,电流的检测元件，常用：,一般来讲在SRM中和其它的电机调速控制中的内环 控制对电流的精度要求不高，而对它的实时快速性要求 很高，所以在SRM中的电流测量可以采用线性度较好的 光电隔离器件传送。,关键靠通道信号传感的实时性和可靠的隔离。,1、霍尔传感器,2、电阻（感性小）直接取样,第65页,第66页,电流传感器检测电路,直接检测式霍尔电流互感器,第67页,第68页,磁平衡式霍尔电流传感器原理框图,第69页,磁平衡式霍尔电流传感器原理图,第70页,HCPL7820内部原理图,光耦隔离放大器原理图,第71页,ISO124隔离放大器内部原理图,第72页,ISO124隔离放大器原理图符号,第73页,第74页,三. 电流过载保护与电流斩波硬件电路,过载保护电路,第75页,滞环
