《开关磁阻电机课件#中学小学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关磁阻电机课件#中学小学（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、开关磁阻电机课件作者：蔡维伦日期：2016.4.151上上课可用可用课件的内容一、一、MOTORMOTOR的的种种类类二、二、SRDSRD的特点及的特点及应应用用三三、SRDSRD的的驱动驱动原理原理四四、SRDSRD控制策略控制策略2上上课可用可用# note# note 1. PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor 1. PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor 2. BLDC : Brushless DC 2. BLDC : Brushless DC 3. BLAC : Brushless AC 3.
2、BLAC : Brushless AC 4. SRM : Switched Reluctance Motor 4. SRM : Switched Reluctance Motor 5. SynRm : Synchronous Reluctance Motor 5. SynRm : Synchronous Reluctance Motor电机交流电机直流电机感应式电机同步同步电机机通用电机磁极磁极电机机w单相w三相w 永磁同步电机(BLDC, BLAC)w 开关磁阻电机w 同步磁阻电机旋转式直线式1、 电机的种类3上上课可用可用 1.1 1.1 两类不同原理的电动机两类不同原理的电动机 电机可以
3、根据电机可以根据转矩转矩产生的原理产生的原理划分划分电磁作用原理产电磁作用原理产生转矩的电机生转矩的电机磁阻变化原理产磁阻变化原理产生转矩的电机生转矩的电机运动是定、转子两个磁场相互作用的结果运动是定、转子两个磁场相互作用的结果相互作用产生相互作用产生使两个磁场趋于同向使两个磁场趋于同向的电磁转矩，这的电磁转矩，这类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象现象目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流电目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直流电机和交流电机。机和交流电机。运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的运动是由定、转子间气隙磁阻
4、的变化产生的当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻磁阻最小原则最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴线重合位子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置。即两轴线重合位置，这置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象类似于磁铁吸引铁质物质的现象开关磁阻电机开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。就是属于这一类型的电机。4上上课可用可用1.
5、2 1.2 交流永磁同步电机交流永磁同步电机5上上课可用可用1.2.1 交流永磁同步电机控制结构6上上课可用可用1.2.2 交流永磁同步电机控制原理7上上课可用可用电磁场电磁场1.2.3 交流永磁同步电机控制要求8上上课可用可用到到日前为止，日前为止，在在SRD系统的系统的开发研制方面，开发研制方面，英国一直处于国英国一直处于国际领先地位。除际领先地位。除英国外，美国、英国外，美国、中国、加拿大、中国、加拿大、印度、韩国等国印度、韩国等国家也都开展了家也都开展了SRD系统的研系统的研究工作究工作从此，世从此，世界上大批界上大批学者投入学者投入到到SR电电机的研究机的研究领域领域1980年，年，
6、Lawrenson及及其同事在其同事在ICEM会议上，会议上，发表著名论文发表著名论文“开关磁阻开关磁阻调速电动机调速电动机”，系统地介，系统地介绍了他们的工作成果，阐绍了他们的工作成果，阐述了述了SR电机的原理及设电机的原理及设计特点，在国际上奠定了计特点，在国际上奠定了现代现代SR电机的地位，这电机的地位，这也标志着也标志着SRD正式得到国正式得到国际认证际认证最早文献却最早文献却可追溯到可追溯到1838年，英年，英格兰学者格兰学者Davidson制制造了一台用造了一台用以推动蓄电以推动蓄电池机车的驱池机车的驱动系统动系统70年代左右，英年代左右，英国国Leeds大学步进大学步进电机和磁阻
7、电机研电机和磁阻电机研究小组首创了一台究小组首创了一台现代开关磁阻电机现代开关磁阻电机的雏形的雏形2 2开关磁阻电机发展历史开关磁阻电机发展历史通过通过30多年的研究和改进，多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目的性能不断提高，目前已能在数百瓦到数百千前已能在数百瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机不低于其他形式的电机9上上课可用可用2.1 SRD2.1 SRD的应用的应用 开关磁阻电动机（开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的动
8、机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速最新一代无级调速系统系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数产品功率等级从数w直到数
9、百直到数百kw，广泛应用于，广泛应用于家家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等等领域。领域。 10上上课可用可用2.22.22.22.2 11上上课可用可用2.3 2.3 总体影响总体影响 12上上课可用可用2.4 SRD2.4 SRD机械结构机械结构13上上课可用可用下面通过一个下面通过一个开关磁阻电动开关磁阻电动机原理模型来机原理模型来介绍工作原理介绍工作原理电机的定子铁芯有六个齿极，由电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制导磁良好的硅钢片冲制。电机的转子铁芯有四个齿极，电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由导磁良好的硅
10、钢片冲制。 由于定子与转子都有凸起的由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线供工作磁场。在转子上没有线圈，这是圈，这是磁阻电机的主要特点磁阻电机的主要特点。 2.52.5电动机定、转子实际结构电动机定、转子实际结构 14上上课可用可用2.615上上课可用可用2.6.116上上课可用可用2.6.117上上课可用可用2.7开关开关磁阻电机的优缺点磁阻电机的优缺点1.SRD电电机机转转子子上上没没有有任任何何形形式式的的绕绕组组、永永磁
11、磁体体、滑滑环环等等，定定子子上上只只有有简简单单的的集集中中绕绕组组，绕绕组端部较短，没有相间跨接线，因此组端部较短，没有相间跨接线，因此SR电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。2.SR电机的材料利用系数高，与直流电机甚至感应电机相比，体积小、坚固、维护量小。电机的材料利用系数高，与直流电机甚至感应电机相比，体积小、坚固、维护量小。3.由由于于SR电电机机的的转转矩矩与与电电流流极极性性无无关关，只只需需要要单单方方向向的的电电流流激激励励，因因此此在在理理论论上上功功率率变变换换器器电电路路中中每每相相可可以以只只用用一一个个可可控控开开关关元元件件
12、，而而且且每每个个可可控控开开关关元元件件都都与与电电机机绕绕组组串串联联，不不会会出出现现像像交交流流电电机机PWM逆逆变变器器那那样样有有电电源源直直通通短短路路的的危危险险，所所以以功功率率变变换换器器电电路路简简单单，可可靠靠性高。性高。4.SR电机转子上无绕组，系统在低速运行时，不仅转矩大，而且转子发热不严重。电机转子上无绕组，系统在低速运行时，不仅转矩大，而且转子发热不严重。5.SRD系系统统可可以以通通过过对对电电流流的的导导通通、断断开开以以及及电电流流幅幅值值等等的的控控制制，易易于于实实现现系系统统的的软软启启动动，四象限运行和宽广的恒功率范围。四象限运行和宽广的恒功率范围
13、。6.SRD系统的容错能力强，在缺相的情况下仍然能可靠运行。系统的容错能力强，在缺相的情况下仍然能可靠运行。7.SR电机原有的转矩脉动大、噪声大的缺点通过技术的进步也已经可以解决。电机原有的转矩脉动大、噪声大的缺点通过技术的进步也已经可以解决。18上上课可用可用192.7.1SRD的特点的特点SR电机结电机结构简单、构简单、坚固、维坚固、维护量小护量小功率变换功率变换器电路简器电路简单、可靠单、可靠性高性高可以在宽可以在宽广的速度广的速度和负载范和负载范围内高效围内高效率运行率运行控制方便、控制方便、灵活，易灵活，易于实现四于实现四象限运行象限运行起动电流起动电流小，启动小，启动转矩大转矩大容
14、错能力容错能力强，在缺强，在缺相情况下相情况下仍能可靠仍能可靠运行运行转矩脉动转矩脉动大大振动与噪振动与噪声大（已声大（已解决）解决）19上上课可用可用2.820上上课可用可用2.8.121上上课可用可用电动汽车用开关磁阻电机三相SRM五相SRM2.8.322上上课可用可用2.9SRD的研究方向的研究方向SR电机设计研究：电机设计研究：1、减小转矩脉动及噪声、减小转矩脉动及噪声,电机的振动的研究电机的振动的研究2、相数的研究与选择、相数的研究与选择3、电机铁耗、效率分析、电机铁耗、效率分析SR电机的控制策略研究：电机的控制策略研究： 最优控制，减小转矩脉动、降低噪声最优控制，减小转矩脉动、降低
15、噪声具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略智能控制策略智能控制策略SR电机的无位置传感器控制电机的无位置传感器控制SR电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等变换器方案确定和主开关元器件选择变换器方案确定和主开关元器件选择微处理器和专用集成电路的应用微处理器和专用集成电路的应用23上上课可用可用工作原理工作原理开关磁阻电机开关磁阻电机的工作原理基的工作原理基于磁通总是沿于磁通总是沿磁导最
16、大的路磁导最大的路径闭合的原理径闭合的原理。当定、转子齿当定、转子齿中心线不重合、中心线不重合、磁导不为最大磁导不为最大时，磁场就会时，磁场就会产生磁拉力，产生磁拉力，形成磁阻转矩，形成磁阻转矩，使转子转到磁使转子转到磁导最大导最大 位置。位置。当向定子各相当向定子各相绕组中依次通绕组中依次通入电流时，电入电流时，电机转子将一步机转子将一步一步地沿着通一步地沿着通电相序相反的电相序相反的方向转动方向转动。 如果改变定子如果改变定子各相的通电次各相的通电次序，电机将改序，电机将改变转向。但相变转向。但相电流通流方向电流通流方向的改变是不会的改变是不会影响转子的转影响转子的转向的。向的。1 定子和
17、转子均为凸极结构；定子和转子均为凸极结构；2 定子上空间相对的两个极上的线圈串联或定子上空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组并联构成一相绕组3 定子集中绕阻、绕组为单方向通电定子集中绕阻、绕组为单方向通电 4 转子上无绕组转子上无绕组5 最常见的组合为最常见的组合为6/4极，极，8/6极或极或12/8极极。结构特点结构特点3 3开关磁阻电机原理开关磁阻电机原理24上上课可用可用 在讲电动机工作原理时常用通电导线在在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，磁阻磁场中受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没有绕组，那是靠什么力推动转电机转子上没有绕组，那是靠
18、什么力推动转子转动呢？子转动呢？ 磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。引力拉动转子旋转。 下面通过图示来说明转子的工作原理，下面通过图示来说明转子的工作原理，下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿下面是磁阻电动机的正视图，定子六个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一接在一起的，组成一“相相”，该电机有，该电机有3相，相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标注
19、的结构。在下图标注的A、B、C相线圈仅相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。相交流电。 在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，在下面有一组磁阻电动机运转原理动画的截图，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的，从中我们将看到磁阻电动机是如何转动起来的，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为把转子启动前的转角定为0度。度。从左面图起，从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线相线圈接通电源
20、产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；中间图是转子转了转动；中间图是转子转了10度的图，右面图是转度的图，右面图是转到到20度的图，磁力一直牵引转子转到度的图，磁力一直牵引转子转到30度为止，度为止，到了到了30度转子不再转动，此时磁路最短。度转子不再转动，此时磁路最短。 3.13.1、 开关磁阻电机原理开关磁阻电机原理25上上课可用可用为了使转子继续转动，在转子转到为了使转子继续转动，在转子转到30度度前已切断前已切断A相电源在相电源在30度
21、接通度接通B相电源，相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间图见下左图，于是转子继续转动。中间图是转子转到是转子转到40度的图，右面图是转到度的图，右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到度的图，磁力一直牵引转子转到60度为度为止。止。在转子转到在转子转到60度前切断度前切断B相电源在相电源在60度时接通度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到转到70度的图，右面图是转到度的图，右面图是转到80
22、度的图，磁力度的图，磁力一直牵引转子转到一直牵引转子转到90度为止。度为止。当转子转到当转子转到90度前切断度前切断C相电源，转子在相电源，转子在90度的状态与前面度的状态与前面0度开始时一样，重复前面度开始时一样，重复前面过程，接通过程，接通A相电源，转子继续转动，这样相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。这就是磁阻电动机的工作原理。由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为状态
23、直接受开关控制，故称为开关磁阻电开关磁阻电动机动机。3.1.13.1.1开关磁阻电机原理开关磁阻电机原理26上上课可用可用向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，与开关晶体管的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体是三个开关晶体管，分别控制三相线圈管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。的二极管是用来续流的。由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无
24、关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。有标明磁力线的方向。A、B、C各相线圈轮流通电似乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的各相线圈轮流通电似乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关
25、，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。制参数决定。3.1.23.1.2开关磁阻电机原理开关磁阻电机原理27上上课可用可用3.1.3开关磁阻电机的非线性特性 以上分析都是在线性条件下进行的。实际电机磁路为非线性。磁场分布28上上课可用可用3.2 SRD3.2 SRD交流电机控制原理交流电机控制原理29上上课可用可用3.2.1 3.2.1 SRM SRM 功率变换器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
26、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对功率变换器主电路的要求对功率变换器主电路的要求对功率变换器主电路的要求 ：（1）较少数量的主开关元件；）较少数量的主开关元件；（2）可将全部电源电压加给电动机相绕组；）可将全部电源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；）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；）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；）可通过主开关器件调制，有效地
27、控制相电流；（6）能将能量回馈给电源。）能将能量回馈给电源。30上上课可用可用3.3 3.3 主电路主电路常见形式常见形式1、双开关型、双开关型每相有两只主开关和两只每相有两只主开关和两只续流二极管续流二极管。当两只主开当两只主开关关VTVT1 1和和VTVT2 2同时导通时，同时导通时，电源电源U US S 向向电机电机电机电机相绕组供电相绕组供电 ；当当VTVT1 1和和VTVT2 2同时关断时，同时关断时，将电机的磁场储能以电能将电机的磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现形式迅速回馈电源，实现强迫换相。强迫换相。双开关型电路特点：双开关型电路特点：1）适用于任意相数）适用于任意相数SR电
28、机电机2 2）相控独立性：独立）相控独立性：独立3 3）相电压）相电压= =电源电压电源电压4 4）器件数量多）器件数量多 31上上课可用可用我司三相我司三相我司三相我司三相SRD 12/8SRD 12/8极电机常采用双开关型主电路极电机常采用双开关型主电路极电机常采用双开关型主电路极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双开关型主电路又称为不对称半桥型主电双开关型主电路又称为不对称半桥型主电双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路路路路3.3 3.3 主电路常见形式主电路常见形式32上上课可用可用2 2双绕组型电路特点双绕组型电路特点主开关主开关S1S1导通时，导通时，电
29、源对主绕组电源对主绕组A A供供电；电；当其关断时，当其关断时，靠磁耦合将主绕靠磁耦合将主绕组组A A的电流转移到的电流转移到副绕组，通过二副绕组，通过二极管极管D1D1续流，向续流，向电源回馈电能，电源回馈电能，实现强迫换相。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。3.3 3.3 主电路主电路常见形式常见形式33上上课可用可用双绕组型缺点：双绕组型缺点：1 1）由于主、副绕组之）由于主、副绕组之间不可能完全耦合，间不可能完全耦合，在在S1S1关断的瞬间，因关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰上
30、会形成较高的尖峰电压，故电压，故S1S1需要有良需要有良好的吸收回路。好的吸收回路。2 2）由于采用主、副两）由于采用主、副两个绕组，因而电机槽个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。耗增加、体积增大。优点：优点：适用于任何相数的适用于任何相数的SRMSRM，尤其适宜于低压直流电源，尤其适宜于低压直流电源供电场合供电场合3.3 3.3 主电路主电路常见形式常见形式34上上课可用可用3 3 3 3电容分压型电容分压型电容分压型电容分压型 （电源分裂式）（电源分裂式）（电源分裂式）（电源分裂式）两个相串联的电容两个相串联的电容C1和和C2将电源电压一分为二将电源电压
31、一分为二, ,构成中构成中点电位。每相只有一个主开关点电位。每相只有一个主开关S和一只续流二极管和一只续流二极管D。 当当S1导通时，上导通时，上侧电容侧电容C1对对A相相绕组放电，电源绕组放电，电源对对A相供电，经相供电，经下侧电容下侧电容C2构成构成回路；当回路；当S1关断关断时，时，A相电流经相电流经D1续流，向下侧续流，向下侧电容电容C2充电。充电。 3.3 3.3 主电路常见形式主电路常见形式35上上课可用可用电容分压型电路的特点电容分压型电路的特点电容分压型电路的特点电容分压型电路的特点1）只适用于偶数相）只适用于偶数相SR电机电机2）主开关数较少）主开关数较少3）相控独立性：不独
32、）相控独立性：不独立立4）电源利用率低，每）电源利用率低，每相电压为电源电压的相电压为电源电压的1/2。5）需限制中点电位漂）需限制中点电位漂移移3.3 3.3 主电路常见形式主电路常见形式36上上课可用可用H H桥型桥型桥型桥型 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。它它要要求求每每一一瞬瞬间间必必须须上上、下下各各有一相导通。有一相导通。工作制：工作制：AB-BC-CD-DA3.3 3.3 主电路常见形式主电路常见形式37上上课可用可用H H桥型电路的特点桥型电路的特点桥型电路的
33、特点桥型电路的特点1）只适用于）只适用于4的倍数相的倍数相SR电机电机2）主开关数较少）主开关数较少3）相控独立性：不独立）相控独立性：不独立4）相绕组电压浮动）相绕组电压浮动5 5 5 5）本电路特有的优点）本电路特有的优点）本电路特有的优点）本电路特有的优点: : : :可以实现零压续流，提高可以实现零压续流，提高系统的控制性能。系统的控制性能。H桥型电路为桥型电路为4相相SR电机最常电机最常用的主电路形式用的主电路形式3.3 3.3 主电路常见形式主电路常见形式38上上课可用可用3.4 3.4 开关磁阻电动机的相数与结构开关磁阻电动机的相数与结构 相数与级数关系相数与级数关系1 1、为了
34、避免单边磁拉力，径向必须对、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的称，所以双凸极的定子和转子齿槽数定子和转子齿槽数应为偶数。应为偶数。2 2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。量接近。因为当定子和转子齿槽数相因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。力的重要因素。SRSR电动机常用的相数与极数组合电动机常用的相数与极数组合电动机常用的相数与极数组合电动机常用的相数与极数组合 39上上课可用可用 相数相数 3 4 5 6 7 8
35、9定子极数定子极数 6 8 10 12 14 16 18转子极数转子极数 4 6 8 10 12 14 16步进角步进角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 3.53.5SRSR电机常用方案电机常用方案相数与转矩、性能关系：相数与转矩、性能关系：相数与转矩、性能关系：相数与转矩、性能关系：相数越大，转矩脉动越小，但成相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相有人在研究两相、单相SRM低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能力没有自起动能力（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pol
36、e利用永磁体辅助起动的单相利用永磁体辅助起动的单相利用永磁体辅助起动的单相利用永磁体辅助起动的单相SRSR电动机电动机电动机电动机 40上上课可用可用3.6 3.6 SRSR电机基本方程与性能分析电机基本方程与性能分析不计磁滞、涡流及绕组间互感时，不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相相SR电机系统示意图电机系统示意图 J转子与负载的转动惯量转子与负载的转动惯量 TL负载转矩负载转矩电路方程电路方程电路方程电路方程第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程:41上上课可用可用3.6.1磁链方程磁链方程所以：所以：电阻压降电阻压降变压器电动势变压器电动势变压器电动势变压器电动势运动电动势运动
37、电动势运动电动势运动电动势( (转子位置改变转子位置改变转子位置改变转子位置改变) )42上上课可用可用为电磁转矩Wf为磁场储能，wr为转子机械角速度如果忽略绕组电阻如果忽略绕组电阻R，则上面的方程可写为：，则上面的方程可写为：3.6.1磁链方程磁链方程43上上课可用可用由转矩公式可知：由转矩公式可知：开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩方向与电流方向无关，故可以采用单因此转矩方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电。极性电流供电。转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，因此，只有当绕组电感随转
38、子位置角而增大时，因此，只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才能产生正向电动转矩。当电感随转给绕组通电才能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，如绕组中仍有电流，则将产子位置角而下降时，如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。生制动转矩。相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。为防止绕组电流延续到负转矩区，必须续过程。为防止绕组电流延续到负转矩区，必须在绕组电感开始下降之前提前关断绕组。在绕组电感开始下降之前提前关断绕组。线性模型有利于对线性模型有利于对SR电机的定性电机的定性分析，了解其运动的物理状况、分析，了解其运动的物理状
39、况、内部各物理量的基本特点和相互内部各物理量的基本特点和相互关系；关系；准线性模型具有一定的计算准线性模型具有一定的计算精度，多用于分析和设计功精度，多用于分析和设计功率变换器和制定控制策略；率变换器和制定控制策略；非线性模型则用于电机性能非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是电机设计的计算、仿真，是电机设计的必需手段。必需手段。3.6.2转矩转矩方程方程44上上课可用可用 3.6.3基本控制策略基本控制策略A. 低速时的电流斩波控制（Current chopping control- CCC)在电感很小时使绕组开通，电流快速上升。为防止电流过大而损坏电机，当电流达到最大值Imax时，使绕组关
40、断，电流开始衰减，当电流衰减咸至Imin时，绕组重新开通。在最大电感出现之前必须将绕组关断，以免电流延续到负转矩区。45上上课可用可用B. 高速时的角度位置控制（Angular position control-APC)高速时，由于反电势大，电流受到限制，上升较慢。当到达最大值后，因电感的增加，电流返而下降。同样，为避免电流延续到负转矩区，绕组要在电感到达最大值之前关断。速度越高，要关断的越早。 3.6.3基本控制策略基本控制策略46上上课可用可用 3.6.3基本控制策略基本控制策略C.电压斩波控制(Voltage Control，简称VC) 在导通区间内，使功率开关按PWM方式工作。其脉冲周
41、期T固定，占空比T可凋。在Tt内，绕组加正电压，T内加零电压或反电压。改变占空比，则绕组电压的平均值U变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制47上上课可用可用 3.6.4当前基本控制策略当前基本控制策略_选择和应用选择和应用1、高速角度控制，低速电流斩波控制 低速电流斩波控制电流脉冲窄而尖，转矩脉动和电流峰值大：若采用电流斩波控，则在aoff 后，续流过程较长，影响出力和效率。解决方法是在低速电流斩波控制时结合角度控制。当转速提高时，使 off适当提前。2、变角度电压斩波控制 电压斩波调节电动机的转速和转矩，并使on和off随转速改变。电动机电动工作，希望尽量将
42、电流波形置于电感上升段。由于电流的建立过程和续流消失的过程需要一定的时间，因而电流波形总比通电区域onoff有所滞后。转速越高，通电区间对应的时间越短，电流波形滞后越多，因此要求通电区间提前的角度就越多。 此控制方式转速转矩调节范围大，高低速均有较好的电动机性能，亦不存在两种控制方式的转换问题。缺点是控制方式的实现较复杂，对功率开关的工作频率要求较高，否则斩波噪声较大。48上上课可用可用3.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 线性模型线性模型线性模型线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，此时电感只与转子位置有
43、关此时电感只与转子位置有关 1 0 2 3 0 4 5 SR电机相电感随转子位置变化电机相电感随转子位置变化49上上课可用可用 = 1位置位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置statorrotor 13.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 50上上课可用可用stator =0o位置位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 =0o3.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 51上上课可用可用stator = 2位位置置rotor转子磁极前沿与定子磁极前沿相
44、遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 23.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 52上上课可用可用stator = 3位置位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置rotor 33.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 53上上课可用可用stator = 4位位置置rotor转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置 43.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 54上上课可用可用stator = 5位位置置rotor转子凹槽前
45、沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 53.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 55上上课可用可用 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 1( 5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置3.6.53.6.5理想理想线性模型的线性
46、模型的SRSR电动机分析电动机分析 56上上课可用可用K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/s特征：特征：特征：特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在在在在L Lmax max 和和和和L Lminmin之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化之间线性地变化 。Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感, Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。3.6.53.6.5理想理
47、想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 57上上课可用可用3.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 58上上课可用可用3.6.53.6.5理想理想线性模型的线性模型的SRSR电动机分析电动机分析 59上上课可用可用3.73.7相电流解析分析相电流解析分析第第k k相绕组模型相绕组模型续流结束角续流结束角续流结束角续流结束角60上上课可用可用3.73.7相电流解析分析相电流解析分析61上上课可用可用 on 2 :电感上升，使绕组电感上升，使绕组电流下降电流下降 off 3 : 在电感达最大之前，绕组在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。关断，绕组续
48、流。 3 z 4 (zz=2=2offoff- -onon) ) 在电感下降之前，续流结在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩束。否则会产生反向转矩3.83.8典型电流波形典型电流波形62上上课可用可用不同开通角下电流波形不同开通角下电流波形开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。不同关断角下电流波形不同关断角下电流波形3.83.8典型电流波形典型电流波形63上上课可用可用变化趋势：变化趋势：结构一定，在结构一定，在onon和和offoff不变时，不变时，绕组电流随外加
49、电压的增大而增大，随转速绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机可以影响绕组电流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。的电磁转矩增大。 影响绕组电流的因素影响绕组电流的因素：外加电源电压外加电源电压UsUs、角、角速度速度r r、开通角、开通角onon、关断角、关断角offoff、最大电、最大电感感Lmaxmax、最小电感、最小电感Lminmin、定子极弧、定子极弧s s等。等。 线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响
50、电流、转矩的因素。能定性地说明影响电流、转矩的因素。3.83.8典型电流波形典型电流波形64上上课可用可用SR电机的基速电机的基速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，称为基速基速。3.9 SR电机固有机械特性机械运机械运动动方程：方程：式式式式中中中中T T T Te e e e电电电电磁磁磁磁转转转转矩矩矩矩；J J J J 系系系系统统统统的的的的转转转转动动动动惯惯惯惯量量量量；K K K K摩摩摩摩擦擦擦擦系系系系数；数；数；数；T TL L负载转矩。负载转矩。负载转
51、矩。负载转矩。 65上上课可用可用4SR电机控制策略：电机控制策略：*基速以下，电流斩波控制基速以下，电流斩波控制(CCC)，输出恒转矩，输出恒转矩可控量为：可控量为：Us、 on 、 off控制法控制法1：固定：固定 on , off，通过电流斩波限，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩制电流，得到恒转矩控制法控制法2：固定：固定 on , off，由速度设定值和，由速度设定值和实际值之差调制实际值之差调制Us，进而改变转矩，进而改变转矩*基速以上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率66上上课可用可用设定电流上、下幅值的斩波图设定电流上、下幅值的斩波图设定电流上
52、、下幅值的斩波图设定电流上、下幅值的斩波图 设定电流上限和关断时间斩波图设定电流上限和关断时间斩波图设定电流上限和关断时间斩波图设定电流上限和关断时间斩波图 4SR电机控制策略：电机控制策略：67上上课可用可用控制方式的合理选择控制方式的合理选择 4SR电机控制策略：电机控制策略：68上上课可用可用SRSR电动机的起动运行电动机的起动运行电动机的起动运行电动机的起动运行 四相四相四相四相SRSR电动机的矩角特性电动机的矩角特性电动机的矩角特性电动机的矩角特性 两相起动时合成转矩波形两相起动时合成转矩波形两相起动时合成转矩波形两相起动时合成转矩波形 69上上课可用可用SRSR电动机的四象限运行控
53、制电动机的四象限运行控制电动机的四象限运行控制电动机的四象限运行控制 SRSR电动机正反转控制原理电动机正反转控制原理电动机正反转控制原理电动机正反转控制原理 4SR电机控制策略：电机控制策略：70上上课可用可用制动状态下制动状态下L, ,i,Te与转子与转子位置角位置角 的关系示意图的关系示意图 4SR电机控制策略：电机控制策略：71上上课可用可用转速的计算转速的计算设设：定定子子绕绕组组为为m相相，定定子子齿齿数数 Ns=2m，转转子子齿数为齿数为Nr。 当当定定子子绕绕组组轮轮流流通通电电一一次次时时，转转子子转转过过一一个个转转子子齿齿距距。这这样样定定子子需需轮轮流流通通电电 Nr次
54、次转转子子才才转转过过一一周周，故故电电机机转转速速 n(r/min)与与相相绕绕组组电压的开关频率电压的开关频率 fph之间的关系为之间的关系为 给给定定子子相相绕绕组组供供电电的的功功率率变变换换器器输输出出电电流脉动频率流脉动频率 则为则为 （脉动越大越好？）（脉动越大越好？） 结结 论：论：1、依次给、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向。通顺序，就可改变电机的转向。2、通电一周期，转过一个转子极距、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr3、步距角、步距角 qb=tr/m=
55、360/(mNr)4、转矩方向与电流无关、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉但转矩存在脉动。动。5、需要根据定、转子相对位置投入激、需要根据定、转子相对位置投入激励。不能像普通异步电机一样直接投励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。入电网运行，需要与控制器一同使用。4SR电机控制策略：电机控制策略：72上上课可用可用一路转子位置信号的频率为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。由于转换即可得到转速。由于SRD系统位置检系
56、统位置检测输出信号为数字信号，故其转速检测不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，且便于与需要附加器件，十分简单易行，且便于与计算机接口计算机接口。 4SR速度检测速度检测 73上上课可用可用MM法测速法测速法测速法测速 与与与与 T T法测速法测速法测速法测速 MM法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。因为在因为在因为在因为在p pN N和和和和T Tc c相同的条件下，高转速时相同的条件下，高转速时相同的条件下，高转速时
57、相同的条件下，高转速时mm1 1较大，量化误较大，量化误较大，量化误较大，量化误差较小。差较小。差较小。差较小。 M M法测速法测速T T法测速法测速MM法测速原理图法测速原理图法测速原理图法测速原理图 T T法测速原理图法测速原理图法测速原理图法测速原理图 4SR速度检测速度检测 74上上课可用可用4.1 4.1 基于单片机的基于单片机的SRDSRD控制系统控制系统75上上课可用可用4.2 基于基于DSP的的SRD系统硬件介绍系统硬件介绍1）控制器：）控制器：TMS320F28335核心核心-实现数字控实现数字控制制DSP 具具有有PWM发生单元，可产生发生单元，可产生16路路PWM 信号信
58、号; ;DSPDSPDSPDSP最小系统还包括最小系统还包括最小系统还包括最小系统还包括32K32K的的的的16 16 位快速位快速位快速位快速RAMRAM、150MHz 150MHz 时钟电路、看门狗电路、电压监测及复位电路、与时钟电路、看门狗电路、电压监测及复位电路、与时钟电路、看门狗电路、电压监测及复位电路、与时钟电路、看门狗电路、电压监测及复位电路、与上位机进行通信的上位机进行通信的上位机进行通信的上位机进行通信的RS232 RS232 通信电路通信电路通信电路通信电路。给定速度通过给定速度通过给定速度通过给定速度通过DSPDSP的的的的ADCADC模块输入，实际速度由位置传模块输入，
59、实际速度由位置传模块输入，实际速度由位置传模块输入，实际速度由位置传感器来检测、通过捕获单元输入。感器来检测、通过捕获单元输入。感器来检测、通过捕获单元输入。感器来检测、通过捕获单元输入。DSPDSP利用利用利用利用PIPI算法通过算法通过算法通过算法通过比较单元和比较单元和比较单元和比较单元和PWMPWM发生单元输出发生单元输出发生单元输出发生单元输出PWMPWM信号，信号，信号，信号，PWMPWM信号信号信号信号经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，控制器件开、经光电隔离输入到功率器件的驱动电路，
60、控制器件开、关，实现关，实现关，实现关，实现SRMSRM闭环调速。闭环调速。闭环调速。闭环调速。76上上课可用可用4.3 控制策略控制策略控制策略框图控制策略框图为简化起见，采用为简化起见，采用PIDPID算法进行速度闭环调节，算法进行速度闭环调节，由于由于SRSR电机具有较好的动态性能，实际只需电机具有较好的动态性能，实际只需PIPI调节。调节。77上上课可用可用4.4 控制软件流程控制软件流程78上上课可用可用问题环节1、接受提问。2、A）电机的转速与频率的关系。 B）电磁转矩与哪几个因素有关。3、如何降低电机转矩脉动,降低噪声;4、电流脉动与转矩的关系。5、几种控制方式。79上上课可用可用谢谢！谢谢！作者：蔡维伦电话：1366076271580上上课可用可用
