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1、第第2章章开关磁阻电机及其驱动开关磁阻电机及其驱动控制系统控制系统 (SRD)SRD)2.1 SRM 传动系统传动系统2.2 SRM 基本方程与性能分析基本方程与性能分析2.3 SRD的的 控制原理控制原理2.4 SRD 的的功率变换器功率变换器2.5 SRD 传动系统的反馈信号检测传动系统的反馈信号检测2.6 SRD 控制系统原理及其实现控制系统原理及其实现2.7 基于单片机的基于单片机的SRD控制系统控制系统2.8 基于基于DSP的的SRD控制系统控制系统2.9 开关磁阻发电机开关磁阻发电机特种电机及其控制特种电机及其控制2.1 2.1 SRDSRD传动系统传动系统2.1.1 SRDSRD
2、传动系统的组成传动系统的组成特种电机及其控制特种电机及其控制SR电动机定、转子实际结构电动机定、转子实际结构 特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机结构与原理电机结构与原理结构特点：结构特点：1、双凸极、双凸极结构结构2、定子集、定子集中绕阻、绕中绕阻、绕组为单方向组为单方向通电通电 3、转子无、转子无绕阻绕阻特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.2 运行原理：运行原理：磁阻最小原理磁阻最小原理电机原理演示电机原理演示磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与
3、主磁场的轴线重合磁场的轴线重合A-A 通电通电 1-1 与与A-A重合重合B-B 通电通电 2-2 与与B-B重合重合C-C 通电通电 3-3 与与C-C重合重合D-D 通电通电 1-1 与与D-D重合重合依次给依次给依次给依次给A-B-C-DA-B-C-D绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转子逆励磁顺序方向连续旋转特种电机及其控制特种电机及其控制12/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机特种电机及其控制特种电机及其控制v以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强v当某一相通电时，磁极极尖处磁场强特
4、种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及
5、其控制特种电机及其控制特种电机及其控制1 1、依次给、依次给、依次给、依次给A-B-C-AA-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向的转向的转向的转向2 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、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t t t tr r=360/N=360/Nr r3 3、步距角步距角步距
6、角步距角 b b=t t t tr r/m=360/(/m=360/(mNmNr r)4 4、转矩方向与电流无关转矩方向与电流无关转矩方向与电流无关转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。但转矩存在脉动。5 5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。一同使用。一同使
7、用。一同使用。结结 论：论：特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.3 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、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。定子和转子齿槽数应为偶数。2 2、定子和转子齿槽数不相等、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。但应尽量接近。因因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子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转角的平均变化率，这是提高电机相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。出力的重要因素。特种
8、电机及其控制特种电机及其控制SR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 特种电机及其控制特种电机及其控制 相数相数 3 4 5 6 7 8 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 SR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：相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM低于三相的低于三相的SRM 没有自起动能
9、力没有自起动能力特种电机及其控制特种电机及其控制外转子单相外转子单相SR电动机电动机 特种电机及其控制特种电机及其控制利用永磁体辅助起动的单相利用永磁体辅助起动的单相SR电动机电动机 特种电机及其控制特种电机及其控制（1）2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2）4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3）3-phase 6 stator pole/4 rotor pole（4）5-phase 10 stator pole/8 rotor pole特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.4 SRD特点特点1)1)电动机结构简单、成本
10、低、适用于高速电动机结构简单、成本低、适用于高速,开关磁阻电动机的结构比通常认为最简开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。单的鼠笼式感应电动机还要简单。2)2)功率电路简单可靠功率电路简单可靠 因为电动机转矩方因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。个功率开关。特种电机及其控制特种电机及其控制SRD特点：特点：3)3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相电动机的电磁结构上
11、看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。电动机才能正常运转。4)4)高起动转矩，低起动电流高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。转矩是本系统的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）特种电机及其控制特种电机及其控制 SRD特点
12、：特点：5)5)适用于频繁起停及正反向转运行适用于频繁起停及正反向转运行 SRDSRD系统具有的高起动转矩，低起动电流系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。运行时还小。6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种法至少有四种:相开通角相开通角,相关断角相关断角,相电流幅值相电流幅值,相绕组电压。相绕组电压。特种电机及其控制特种电机及其控制7)7)效率高，损耗小效
13、率高，损耗小 SRDSRD系统是一种系统是一种非常高效的调速系统。非常高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求足各种特殊使用要求 。9)9)缺点：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但但可通过特殊设计克服可通过特殊设计克服 SRD特点：特点：特种电机及其控制特种电机及其控制2.1.5 SRD发展概况发展概况7.5 7.5 kW kW、1500 r/min1500 r/min几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较几种调速系统性能比较 特种电机及其控制特种电机及其控制航空工业航空工业 家用电器家用电器 机械
14、传动机械传动 精密伺服系统精密伺服系统 电动车电动车 2.1.6 SRD的应用与研究动向的应用与研究动向应应用用特种电机及其控制特种电机及其控制SRD的研究方向的研究方向vSR电机设计研究：电机设计研究：铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论vSR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、降低噪声具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及具有较高动态性能、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vSR电机的无
15、位置传感器控制电机的无位置传感器控制vSR电机的振动、噪声研究电机的振动、噪声研究v无轴承无轴承SR电机研究（磁悬浮）电机研究（磁悬浮）vSR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、一体化电机等特种电机及其控制特种电机及其控制2.2 SR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电电机系统示意图机系统示意图 J转转子与负载的转动惯量子与负载的转动惯量 D粘粘性摩擦系数性摩擦系数 TL负负载转矩载转矩特种电机及其控制特种电机及其控制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
16、方程:特种电机及其控制特种电机及其控制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)特种电机及其控制特种电机及其控制机械运动方程：机械运动方程：式中式中T Te e电磁转矩；电磁转矩；J J系统的转动惯量；系统的转动惯量；K K 摩擦系数；摩擦系数；TL负载转矩。负载转矩。特种电机及其控制特种电机及其控制 电磁转矩：电磁转矩：磁共能的表达式为：磁共能的表达式为：-iSRSR电机的瞬时电磁转矩电机的瞬时电磁转矩T Te e可由磁共能可由磁共能W Wc c导出：
17、导出：SRSR电机的平均电磁转矩电机的平均电磁转矩T Tavav特种电机及其控制特种电机及其控制2.2.2基于理想线性模型的基于理想线性模型的SR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特种电机及其控制特种电机及其控制电工技术电工技术电工技术电工技术 stator =1位置位置rotor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 1特种电机及其控制特
18、种电机及其控制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=0o特种电机及其控制特种电机及其控制stator =2位位置置rotor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 2特种电机及其控制特种电机及其控制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 3特种电机及其控制特种电机及其控制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 4特种电机及其控制特种电机及其控制stator =5位位置置rot
19、or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 5特种电机及其控制特种电机及其控制 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特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机绕组电感的分段线性解析式：电机绕组电感的分段线性解析式：
20、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。特种电机及其控制特种电机及其控制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
21、模型续流结束角续流结束角续流结束角续流结束角特种电机及其控制特种电机及其控制忽略电阻，相绕组电压方程：忽略电阻，相绕组电压方程：所以：所以：所以：所以：而：而：=L i相电流解析分析相电流解析分析同时可以同时可以导出：导出：KT为常数为常数特种电机及其控制特种电机及其控制1)当当 1 2,L=Lmin,Us为为+因：因：L=Lmin,Us取取+,则：则：又：又：i(on)=0,所以，所以，当当 1 2时，时，特种电机及其控制特种电机及其控制2)当当 2 off,L=Lmin+K(-2)，Us为为+积分得：积分得：特种电机及其控制特种电机及其控制由初始条件：由初始条件：i(2)=Us(2-on)
22、/(Lmin)确定确定 C=Us on/，所以所以,2)当当 2 off时时在在 2 off 期间期间特种电机及其控制特种电机及其控制3)当当 off 3,L=Lmin+K(-2)，Us为为-4)当当 3 4,L=Lmax，Us为为-5)当当 4 2 off-on5,L=Lmax-K(-4)，Us为为-特种电机及其控制特种电机及其控制开通角开通角关关断断角角特种电机及其控制特种电机及其控制 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:在在电感达最大之前，绕组电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。关断，绕组续流。3 z 4(zz=2=2offoff-onon)在电感下降
23、之前在电感下降之前，续续流结束。否则会产生反向流结束。否则会产生反向转矩转矩典型电流波形典型电流波形特种电机及其控制特种电机及其控制不同开通角下电流波形特点：特点：开通角越开通角越小，电流小，电流幅值越大，幅值越大，续流时间续流时间越长。越长。特种电机及其控制特种电机及其控制不同关断角下电流波形特种电机及其控制特种电机及其控制变化趋势：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
24、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电流、转矩的因素。大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。特种电机及其控制特种电机及其控制为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将
25、实际非线性磁化曲线分段线性，借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合且不考虑磁耦合两段线性处理：两段线性处理：两段线性处理：两段线性处理：一段为饱和段，视为与一段为饱和段，视为与=0的位置的磁的位置的磁化曲线平行化曲线平行,斜率为斜率为Lmin；一段为非饱和段，为一段为非饱和段，为L(,i)的的 不饱和段。不饱和段。准线性模型分析准线性模型分析实际磁化曲线实际磁化曲线分段线性磁化曲线分段线性磁化曲线i1特种电机及其控制特种电机及其控制准线性模型绕阻电感准线性模型绕阻电感L(i,):特种电机及其控制特种电机及其控制 基于准线性模型，基于准线性模型，L(i,)是可解析的，可是可
26、解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到由此得到SR电机的瞬时转矩的分段解析式：电机的瞬时转矩的分段解析式：特种电机及其控制特种电机及其控制在相电流为理想平顶波的情况下，在相电流为理想平顶波的情况下，SR电机电机平均电磁转矩平均电磁转矩Tav的解析式的解析式 当当SRSR电电动动机机运运行行在在电电流流值值很很小小的的情情况况下下，磁磁路路不不饱饱和和，电电磁磁转转矩矩与与电电流流平平方方成成正正比比；当当运运行行在在饱饱和和情情况况下下，电电磁磁转转矩矩与与电电流流的的一一次次方方成成正正比比。这这个个结结论论可可以以作作为为制制定定
27、控控制策略的依据。制策略的依据。特种电机及其控制特种电机及其控制1)on 是控制转矩的重要参数：是控制转矩的重要参数：一定时，若一定时，若开通角开通角 on较小，相电流直线上升时间较长，较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩从而增大电流，提高转矩。2)在在 on一定时，增大一定时，增大 off,平均转矩也相应增平均转矩也相应增大。但导通角大。但导通角 c=off-on有一个最佳值，超有一个最佳值，超过此值，过此值，c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减小。讨论：讨论：特种电机及其控制特种电机及其控制2.3 SR电机的控制原理电机的控制原理SR电机固有机械特性：电机固有机
28、械特性：F为以电机结构参数为以电机结构参数(m，Nr，2，Lmax，Lmin)和和控制参数控制参数(on,off)为变量的函数为变量的函数整理得：整理得：对对一定电机，结构参数一定。如一定电机，结构参数一定。如Us、on、off一定，则一定，则电机的固有机械特性电机的固有机械特性为：为：Tav=k/2 P=k/特种电机及其控制特种电机及其控制 SR电动机的基本机械特性电动机的基本机械特性 特种电机及其控制特种电机及其控制SR电机的基速电机的基速vSR电机的固有机械特性类似与直流电机电机的固有机械特性类似与直流电机的串励特性。的串励特性。v对给定对给定SR电机，在最高电压电机，在最高电压Us和最
29、大允和最大允许电流条件下，存在一个临界角速度。即许电流条件下，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，称电机得到最大转矩的最高角速度，称为为基速基速。特种电机及其控制特种电机及其控制SR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
30、控制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率输出恒功率特种电机及其控制特种电机及其控制设定电流上、下幅值的斩波图设定电流上、下幅值的斩波图 特种电机及其控制特种电机及其控制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 特种电机及其控制特种电机及其控制PWM斩波调压控制的电流波形斩波调压控制的电流波形 特种电机及其控制特种电机及其控制APC运行时运行时Tav与与 on、off的关系的关系 特种电机及其控制特种电机及其控制控制方式的合理选择控制方式的合理选择 特种电机及其控制特种电机及其控制电流斩波的最高限速电流斩波的最高限速 Cmax (on 2)电流斩波的最高限速为电流斩波的最
31、高限速为 特种电机及其控制特种电机及其控制SR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 特种电机及其控制特种电机及其控制两相起动时合成转矩波形两相起动时合成转矩波形 特种电机及其控制特种电机及其控制SR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 特种电机及其控制特种电机及其控制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 特种电机及其控制特种电机及其控制2.4 SRM 功率变换器功率变
32、换器v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。v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。特种电机及其控制特种电机及其控制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）可可将将全全部部电电源源电电压压加加给给电电动动机机相相绕绕组；组；（3）主主开开关关器器件件的的电电压压额额定定值值与与电电动动机机接近；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）可可通通过过
33、主主开开关关器器件件调调制制，有有效效地地控控制相电流；制相电流；（6）能将能量回馈给电源。）能将能量回馈给电源。特种电机及其控制特种电机及其控制2.4.1 主电路常见形式主电路常见形式1、双开关型、双开关型每相有两只主开关每相有两只主开关和两只续流二极管和两只续流二极管。当两只主开关当两只主开关VTVT1 1和和VTVT2 2同时导通时，同时导通时，电源电源U US S 向电机相向电机相绕组供电绕组供电 ；当当VTVT1 1和和VTVT2 2同时关断时，同时关断时，将电机的磁场储能将电机的磁场储能以电能形式迅速回以电能形式迅速回馈电源，实现强迫馈电源，实现强迫换相。换相。特种电机及其控制特种
34、电机及其控制双开关型电路特点：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 特种电机及其控制特种电机及其控制三相三相SR电机常采用双开关型主电路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双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路桥型主电路特种电机及其控制特种电机及其控制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
35、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。特种电机及其控制特种电机及其控制2 2、双绕组型、双绕组型 缺点：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
36、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，尤其适宜于低尤其适宜于低压压直流直流电电源源供供电电场合场合特种电机及其控制特种电机及其控制3 3、电容分压型、电容分压型（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
37、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。特种电机及其控制特种电机及其控制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）只适用于偶数相相SR电机电机2）主开关数较少）主开关数较少3）相控独立性：）相控独立性：不独立不独立4）电源利用率低，）电源利用率低，每相电压为电源电每相电压为电源电压的压的1/2。5）需限制中点电）需限制中点电位漂移位漂移特种电机及其控制特种电机及其控制4、H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
38、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-DA特种电机及其控制特种电机及其控制H桥型电路的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）本电路特有的优点）本电路特有的优点:可以实现零压续流，可以实现零压续流，提高系统的控制性能。提高系统的控制性能。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特种电机及其控制特种电机及其控制
39、相相SRSR电机主电路工作方式电机主电路工作方式4 4相相8/68/6极极SRSR电机主电路电机主电路特种电机及其控制特种电机及其控制方式方式1：单管斩波方式，需增加一个公共开关单管斩波方式，需增加一个公共开关V0,PWM斩波由斩波由V0完成，完成，V1-V4只负责换相只负责换相.V0导通导通 V0关断关断AB两相导通时工作情况两相导通时工作情况特种电机及其控制特种电机及其控制方式方式2：四相斩波方式四相斩波方式V1-V4V1-V4不仅担负换相任务，还要进行不仅担负换相任务，还要进行PWMPWM斩波斩波两导通相对应的开关两导通相对应的开关V1V1、V2V2同时开通或关断同时开通或关断主主电路电
40、路续流续流特种电机及其控制特种电机及其控制方式方式3：两相斩波方式两相斩波方式主电路同方式主电路同方式2 2，V1V1和和V3V3进行进行PWMPWM斩波控斩波控制，工作情况较复杂制，工作情况较复杂斩波：V1关断，续流换相：V2关断，V1导通换相：V1关断，V2导通特种电机及其控制特种电机及其控制 主电路设计实例主电路设计实例 系统的主要技术指标系统的主要技术指标 额定功率：额定功率：30 30 kWkW；额定转速：额定转速：1500 1500 r/minr/min；转速范围：转速范围：502000 502000 r/minr/min电源：三相交流电源：三相交流380380V/50HzV/50
41、Hz；双向运行，停车制动；双向运行，停车制动；起动转矩：起动转矩：1.51.5 190 190 N N m m；过载能力：过载能力：120%120%。特种电机及其控制特种电机及其控制功率变换器主电路功率变换器主电路 特种电机及其控制特种电机及其控制器件的选用器件的选用 IGBTIGBT模块结构图模块结构图模块结构图模块结构图 特种电机及其控制特种电机及其控制 EXB841 EXB841 原理图原理图原理图原理图 IGBT驱动电路驱动电路 特种电机及其控制特种电机及其控制 EXB841典型应用电路典型应用电路 特种电机及其控制特种电机及其控制2.5 SRM传动系统的反馈信号检传动系统的反馈信号检
42、测测2.5.1 位置检测与换相逻辑位置检测与换相逻辑光光电电传传感感器器静静止止部部分分运运动动部部分分红外发光二极管、光敏红外发光二极管、光敏三极管、辅助电路三极管、辅助电路与与SRM转子同轴安装转子同轴安装的遮光盘、遮光盘有的遮光盘、遮光盘有6个个30o间隔的齿间隔的齿位置检测位置检测特种电机及其控制特种电机及其控制位置信号检测电路原理图位置信号检测电路原理图VGVG为光耦，为光耦，R R1 1、R R2 2限流电阻，两个非限流电阻，两个非门对输出信号进行整形，以消除毛刺门对输出信号进行整形，以消除毛刺和上升沿、下降沿。和上升沿、下降沿。光电耦光电耦合器件合器件特种电机及其控制特种电机及其
43、控制 槽型光电耦合开光槽型光电耦合开光 特种电机及其控制特种电机及其控制4相相SR电机位置传感器安装示意图电机位置传感器安装示意图定子上安装两个相距定子上安装两个相距75o的光敏器件的光敏器件S、P,分别与定子极中心线分别与定子极中心线成成37.5o夹角。夹角。可输出两路相差可输出两路相差15o、占空比为占空比为50%的方波的方波信号信号将其组合为将其组合为4种不同种不同状态，代表定子绕组状态，代表定子绕组4种不同参考位置种不同参考位置特种电机及其控制特种电机及其控制位置位置1：0o导通相分析导通相分析：令转向为逆时针旋令转向为逆时针旋转，则应为转，则应为A A、B B两两相导通相导通位置传感
44、器信号：位置传感器信号：S S未遮，输出高电未遮，输出高电平，持续平，持续1515o o。P P被遮，输出低电被遮，输出低电平，持续平，持续3030o o。特种电机及其控制特种电机及其控制位置位置2：转过：转过15o导通相分析导通相分析：令转向为逆时针旋令转向为逆时针旋转，则应为转，则应为B B、C C两两相导通相导通位置传感器信号：位置传感器信号：S S被遮，输出低电被遮，输出低电平，持续平，持续3030o o。P P被遮，输出低电被遮，输出低电平，持续平，持续1515o o。特种电机及其控制特种电机及其控制位置位置3：转过：转过30o导通相分析导通相分析：令转向为逆时针旋令转向为逆时针旋转
45、，则应为转，则应为C C、D D两两相导通相导通位置传感器信号：位置传感器信号：S S被遮，输出低电被遮，输出低电平，持续平，持续1515o o。P P未遮，输出高电未遮，输出高电平，持续平，持续3030o o。特种电机及其控制特种电机及其控制位置位置4：转过：转过45o导通相分析导通相分析：令转向为逆时针旋令转向为逆时针旋转，则应为转，则应为D D、A A两两相导通相导通位置传感器信号：位置传感器信号：S S未遮，输出高电未遮，输出高电平，持续平，持续3030o o。P P未遮，输出高电未遮，输出高电平，持续平，持续1515o o。特种电机及其控制特种电机及其控制位置位置5：转过：转过60o
46、导通相分析导通相分析：令转向为逆时针旋令转向为逆时针旋转，则应为转，则应为A A、B B两两相导通相导通位置传感器信号：位置传感器信号：S S未遮，输出高电未遮，输出高电平，持续平，持续1515o o。P P被遮，输出低电被遮，输出低电平，持续平，持续3030o o。定、转子相对位置同位置定、转子相对位置同位置1，60o一周期。一周期。特种电机及其控制特种电机及其控制正转逻辑关系正转逻辑关系逆逆时时针针旋旋转转S P导通相导通相1 0 AB0 0 BC 0 1 CD1 1 DA1 0 AB特种电机及其控制特种电机及其控制反转逻辑关系反转逻辑关系S P导通相导通相0 0AD1 0DC1 1CB0
47、 1 BA0 0AD特种电机及其控制特种电机及其控制3相相12/8极极SR电机电机3 3相相12/812/8极极SRSR电机位置传感器示意图电机位置传感器示意图三个光电开关依三个光电开关依次相隔次相隔15o安装安装产生占空比为产生占空比为50%、依次相差、依次相差15的三个信号的三个信号合成六个不同状合成六个不同状态，代表电动机态，代表电动机绕组不同参考位绕组不同参考位置置特种电机及其控制特种电机及其控制光耦光耦输出信号与转子位置关系输出信号与转子位置关系特种电机及其控制特种电机及其控制锁相环原理锁相环原理 特种电机及其控制特种电机及其控制角度细分电路角度细分电路(I)特种电机及其控制特种电机
48、及其控制角度细分电路角度细分电路(II)特种电机及其控制特种电机及其控制 软件角度细分电路软件角度细分电路(I)特种电机及其控制特种电机及其控制软件角度细分电路软件角度细分电路(II)特种电机及其控制特种电机及其控制 2.5.2 速度检测速度检测 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
49、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。特种电机及其控制特种电机及其控制用用LM2907构成的构成的F/V转换电路转换电路 特种电机及其控制特种电机及其控制M法测速法测速 与与 T法测速法测速 M法适用于高速运行时的测速，低速时测法适用于高速运行时的测速，低速时测量精度较低。因为在量精度较低。因为在pN和和Tc相同的条件下，相同的条件下，高转速时高转速时m1较大，量化误差较小。较大，量化误差较小。M法测速T T法测速法测速特种电机及其控制特种电机及其控制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
50、理图 特种电机及其控制特种电机及其控制 M/T法测速法测速 M/TM/T法测速方案之一法测速方案之一法测速方案之一法测速方案之一 M/TM/T法测速原理法测速原理法测速原理法测速原理 特种电机及其控制特种电机及其控制2.5.3 2.5.3 电流检测电流检测 SRSR电动机电动机电阻采样电阻采样电流检测电路电流检测电路 特种电机及其控制特种电机及其控制 霍尔电流传感器霍尔电流传感器检测电路检测电路 特种电机及其控制特种电机及其控制四相四相SR电动机电流检测电动机电流检测 特种电机及其控制特种电机及其控制三相三相SR电动机电流检测电动机电流检测 特种电机及其控制特种电机及其控制2.6 SRD控制系