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1、2.3 SR电机的控制原理,SR电机固有机械特性：,F为以电机结构参数(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)和控制参数(on ,off)为变量的函数,整理得：,对一定电机，结构参数一定。如Us、 on 、off一定，则电机的固有机械特性为： Tav=k/ 2 P=k/ ,SR电动机的基本机械特性,SR电机的基速,SR电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。 对给定SR电机，在最高电压Us和最大允许电流条件下，存在一个临界角速度。即SR电机得到最大转矩的最高角速度，称为基速。,设定电流上、下幅值的斩波图,设定电流上限和关断时间斩波图,PWM斩波调压控制的电流波形,APC运行时Tav与on、o
2、ff的关系,控制方式的合理选择,电流斩波的最高限速Cmax,(on2),电流斩波的最高限速为,SR电动机的起动运行,四相SR电动机的矩角特性,两相起动时合成转矩波形,SR电动机的四象限运行控制,SR电动机正反转控制原理,制动状态下L,i,Te与转子 位置角 的关系示意图,2.4 SRM 功率变换器,功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着将电能分配到SRM绕组中的作用，同时接受控制器的控制。 由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需要单极性供电的功率变换器。功率变换器应能迅速从电源接受电能，又能迅速向电源回馈能量。,对功率变换器主电路的要求,（1）较少数量的主开关元件； （2）可将全部电源
3、电压加给电动机相绕组； （3）主开关器件的电压额定值与电动机接近； （4）具备迅速增加相绕组电流的能力； （5）可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； （6）能将能量回馈给电源。,2.4.1 主电路常见形式,1、双开关型,每相有两只主开关和两只续流二极管。当两只主开关VT1和VT2同时导通时，电源US 向电机相绕组供电 ；当VT1和VT2同时关断时，将电机的磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。 。,双开关型电路特点：,1）适用于任意相数SR电机 2）相控独立性：独立 3）相电压=电源电压 4）器件数量多,三相SR电机常采用双开关型主电路,双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路,双绕
4、组型电路特点,主开关S1导通时，电源对主绕组A供电；当其关断时，靠磁耦合将主绕组A的电流转移到副绕组，通过二极管D1续流，向电源回馈电能，实现强迫换相。,早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1：1。,2、双绕组型,缺点： 1）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要有良好的吸收回路。 2）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。,优点：适用于任何相数的SRM，尤其适宜于低压直流电源供电场合,3、电容分压型 （电源分裂式）,两个相串联的电容C1和C2将
5、电源电压一分为二,构成中点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管D。,当S1导通时，上侧电容C1对A相绕组放电，电源对A相供电，经下侧电容C2构成回路；当S1关断时，A相电流经D1续流，向下侧电容C2充电。,电容分压型电路的特点,1）只适用于偶数相SR电机 2）主开关数较少 3）相控独立性：不独立 4）电源利用率低，每相电压为电源电压的1/2。 5）需限制中点电位漂移,4、H桥型,该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。,工作制：AB-BC-C
6、D-DA,H桥型电路的特点,1）只适用于4的倍数相SR电机 2）主开关数较少 3）相控独立性：不独立 4）相绕组电压浮动 5）本电路特有的优点:可以实现零压续流，提高系统的控制性能。,H桥型电路为4相SR电机最常用的主电路形式,相SR电机主电路工作方式,4相8/6极SR电机主电路,方式1：单管斩波方式，需增加一个公共开关V0, PWM斩波由V0完成，V1-V4只负责换相.,V0导通 V0关断 AB两相导通时工作情况,方式2：四相斩波方式,V1-V4不仅担负换相任务，还要进行PWM斩波 两导通相对应的开关V1、V2同时开通或关断,方式3：两相斩波方式,主电路同方式2，V1和V3进行PWM斩波控制
7、，工作情况较复杂,换相：V1关断，V2导通,主电路设计实例,系统的主要技术指标,额定功率：30 kW； 额定转速：1500 r/min； 转速范围：502000 r/min 电源：三相交流380V/50Hz； 双向运行，停车制动； 起动转矩：1.5190 Nm； 过载能力：120%。,功率变换器主电路,器件的选用,IGBT模块结构图,EXB841 原理图,IGBT驱动电路,EXB841典型应用电路,2.5 SRM传动系统的反馈信号检测,2.5.1 位置检测与换相逻辑,光电传感器,静止部分,运动部分,红外发光二极管、光敏三极管、辅助电路,与SRM转子同轴安装的遮光盘、遮光盘有6个30o间隔的齿,
8、位置检测,位置信号检测电路原理图,VG为光耦，R1、R2限流电阻，两个非门对输出信号进行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。,槽型光电耦合开光,4相SR电机位置传感器安装示意图,定子上安装两个相距75o的光敏器件S、P,分别与定子极中心线成37.5o夹角。,可输出两路相差15o、占空比为50%的方波信号,将其组合为4种不同状态，代表定子绕组4种不同参考位置,位置1：0o,导通相分析： 令转向为逆时针旋转，则应为A、B两相导通 位置传感器信号： S未遮，输出高电平，持续15o。 P被遮，输出低电平，持续30o。,位置2：转过15o,导通相分析： 令转向为逆时针旋转，则应为B、C两相导通 位置传感器
9、信号： S被遮，输出低电平，持续30o。 P被遮，输出低电平，持续15o。,位置3：转过30o,导通相分析： 令转向为逆时针旋转，则应为C、D两相导通 位置传感器信号： S被遮，输出低电平，持续15o。 P未遮，输出高电平，持续30o。,位置4：转过45o,导通相分析： 令转向为逆时针旋转，则应为D、A两相导通 位置传感器信号： S未遮，输出高电平，持续30o。 P未遮，输出高电平，持续15o。,位置5：转过60o,导通相分析： 令转向为逆时针旋转，则应为A、B两相导通 位置传感器信号： S未遮，输出高电平，持续15o。 P被遮，输出低电平，持续30o。,定、转子相对位置同位置1，60o一周期
10、。,正转逻辑关系,逆时针旋转,反转逻辑关系,3相12/8极SR电机,3相12/8极SR电机位置传感器示意图,三个光电开关依次相隔15o安装 产生占空比为50%、依次相差15的三个信号 合成六个不同状态，代表电动机绕组不同参考位置,光耦输出信号与转子位置关系,锁相环原理,角度细分电路 (I),角度细分电路(II),软件角度细分电路(I),软件角度细分电路(II),2.5.2 速度检测,一路转子位置信号的频率为,转子位置检测信号的频率与电机的转速成正比，将测出的转子位置信号的频率经过转换即可得到转速。由于SRD系统位置检测输出信号为数字信号，故其转速检测不需要附加器件，十分简单易行，且便于与计算机
11、接口。,用LM2907构成的F/V转换电路,M法测速 与 T法测速,M法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。因为在pN和Tc相同的条件下，高转速时m1较大，量化误差较小。,M法测速,T法测速,M法测速原理图,T法测速原理图,M/T法测速,M/T法测速方案之一,M/T法测速原理,2.5.3 电流检测,SR电动机电阻采样电流检测电路,霍尔电流传感器检测电路,四相SR电动机电流检测,三相SR电动机电流检测,2.6 SRD控制系统原理及其实现,SRD控制系统原理图,2.7 基于单片机的SRD控制系统,2.8 基于DSP的SRD控制器,基于DSP的SRD系统硬件介绍,1）控制器：TMS320F2
12、407核心-实现数字控制DSP 具有PWM发生单元，可产生16路PWM 信号; DSP最小系统还包括32K的16 位快速RAM、20MHz 时钟电路、看门狗电路、电压监测及复位电路、与上位机进行通信的RS232 通信电路,。,给定速度通过DSP的ADC模块输入，实际速度由位置传感器来检测、通过捕获单元输入。DSP利用PI算法通过比较单元和PWM发生单元输出PWM信号，PWM信号经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、关，实现SRM闭环调速。,基于DSP的SRD系统硬件介绍,2）位置信号输入电路：光电传感器反馈转子位置信号。通过F2407 的捕获单元(CAP14) 对脉冲信号进行实时检测
13、来实现对转子位置信号的检测。 3) 转速计算：CAP 单元不仅能检测信号的变化,而且还能记录两次信号变化的时间间隔，由此可以确定电机转子的位置,并可计算出电机的实际运行速度，进而准确地控制各相的开通和关断。,基于DSP的SRD系统硬件介绍,4) 电流检测电路:使用磁场平衡式霍尔检测器(LEM 模块) 来检测电机的三相电流。LEM的输出一方面输入到F240 的A/D 转换口,转换成数字信号后用以控制电流斩波限;一方面输入到保护电路,实现对功率变换器主开关的过流保护。,5) 键盘、显示电路:F240 有独立的I/O 空间和总线。用I/O 口组成矩阵式键盘,通过串行外设接口(SPI)显示运行状态。,
14、控制策略,控制策略框图,为简化起见，采用PID算法进行速度闭环调节，由于SR电机具有较好的动态性能，实际只需PI调节。,控制策略：,1）、双闭环：转速外环、电流内环 速度反馈信号取自位置传感器的转子信号，被给定转速相减后作为电流指令值; 电流指令值与检测到的实际电流值比较，形成电流偏差，控制PWM信号的脉宽。 闭环调节：PID或模糊控制、ANN控制等,2）、控制方式： 低速时，固定开关角，电流PWM斩波(CCC) 高速时, 角度位置控制（APC）+PWM控制,控制软件流程,2.10 开关磁阻发电机,SRG系统组成,双开关型SR发电机主电路 -他励式,双开关型SR发电机主电路-自励式,(a) 励磁状态 (b) 发电状态 SR发电机一相绕组等效电路,开关磁阻发电机的典型相电流波形,
