开关磁阻电机课件

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1、 电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用电机可以根据转矩产生的机理粗略的分为两大类：一类是由电磁作用原理产生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。原理产生转矩；另一类是由磁阻变化原理产生转矩。 在第一类电机中，在第一类电机中，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。这种相这种相互作用产生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类似于两个磁铁的同极性相排斥、异极性相吸引的现象相排斥、异极性相吸引的现象。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如。目前大部分电机都是遵循这一原理，例如一般的直

2、流电机和交流电机。一般的直流电机和交流电机。 第二类的电机，第二类的电机，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子当定子绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循绕组通电时，产坐一个单相磁场，其分铀要遵循“磁阻最小原则磁阻最小原则”，即磁，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，便公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重合时，便公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。即两轴线重合位置，这置。即两轴线重合位置，这类似于

3、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。开关磁阻电机就是属于这一类型的电机。机就是属于这一类型的电机。两类不同机理的电动机两类不同机理的电动机开关磁阻电机的最早文献却可追溯到开关磁阻电机的最早文献却可追溯到1838年，英格兰学者年，英格兰学者Davidson制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。制造了一台用以推动蓄电池机车的驱动系统。70年代左右，英国年代左右，英国Leeds大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了大学步进电机和磁阻电机研究小组首创了一台现代开关磁阻电机的雏形。一台现代开关磁阻电机的雏形。1980年，年，Lawrenson及其同事在及其同事在ICEM会议上

4、，发表著名论文会议上，发表著名论文“开开关磁阻调速电动机关磁阻调速电动机”，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了，系统地介绍了他们的工作成果，阐述了SR电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代电机的原理及设计特点，在国际上奠定了现代SR电机的地位，这电机的地位，这也标志着也标志着SRD正式得到国际认证。正式得到国际认证。从此，世界上大批学者投入到从此，世界上大批学者投入到SR电机的研究领域。电机的研究领域。到日前为止，在到日前为止，在SRD系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先系统的开发研制方面，英国一直处于国际领先地位。除英国外，美国、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开地位。除英国外，美国

5、、中国、加拿大、印度、韩国等国家也都开展了展了SRD系统的研究工作。系统的研究工作。通过通过20多年的研究和改进，多年的研究和改进，SRD的性能不断提高，目前已能的性能不断提高，目前已能在数百在数百瓦到数百千瓦的功率范围瓦到数百千瓦的功率范围内使其性能不低于其他形式的电机。内使其性能不低于其他形式的电机。开关磁阻电机发展历史开关磁阻电机发展历史 位位置置检检测测 功功率率变变换换器器 SR电电动动机机 电电流流检检测测 控控制制信信号号 控控制制器器 电电 源源 负负 载载 工作机理v开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路开关磁阻电机的工作机理基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。

6、径闭合的原理。v当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。位置。v当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。一步地沿着通电相序相反的方向转动。v如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相如果改变定子各相的通电次序，电机将改变转向。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。一、开关磁阻电机（Switche

7、d Reluctance Motor) 1. 结构特点结构特点AABCDBCDEsS1S2VD1VD21231231 定子和转子均为凸极定子和转子均为凸极结构；结构；2 定子上空间相对的两定子上空间相对的两个极上的线圈串联或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、绕组定子集中绕阻、绕组为单方向通电为单方向通电 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。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

8、在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与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重合重合下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。下面通过一个开关磁阻电动机原理模型来介绍工作原理。电机的定子铁芯有六个齿极，电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。由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。由导磁良好的硅钢片冲制。 由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极

9、由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。 在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中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，磁阻电机转子上没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子转动呢？有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？ 磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通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

10、的路径闭合，利用磁引力拉动转子总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。旋转。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，组成一个齿极上绕有线圈，径向相对的两个线圈是连接在一起的，组成一“相相”，该电机有该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标结构。在下图标注的注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交

11、流电。 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，图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子动起来的，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；把转子启动前的转角定为的深蓝色线是磁力线；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，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转

12、动；中间图是转子转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转动；中间图是转子转了了10度的图，右面图是转到度的图，右面图是转到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，到了度为止，到了30度转度转子不再转动，此时磁路最短。子不再转动，此时磁路最短。 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度前已切断度前已切断A相电源在相电源在30度接通度接通B相电源，相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图，于是转子继续转动。中间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。中间图是转子转到图是转子转到40度的图，右

13、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度为止。度为止。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，中间图是转子转到齿极通过转子铁芯，见下左图。转子继续转动，中间图是转子转到70度的度的图，右面图是转到图，右面图是转到80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，重度

14、开始时一样，重复前面过程，接通复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。不停的旋转。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，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、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、磁通状态直接受开关控制，故称为磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机开关磁阻电动机。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，

15、的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。的电流通断，三极管旁边并联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有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有标明磁力线的方向。标明磁力线的方向。A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自各相线圈轮流通电视乎简单，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

16、有电流的时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，各相线圈开通与关断间会有部分重合；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准时开关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。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。开关磁阻电机运行原理开关磁阻电机运行原理动画演示动画演示例：例：12

17、/8 极三相开关磁阻电动机极三相开关磁阻电动机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，磁极极尖处磁场强转速的计算设：设：定子绕组为定子绕组为m相，定子齿数相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为转子齿数为Nr。 当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这样定子需轮流通电样定子需轮流通电 Nr次转子才转过一周，故电机转速次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率与相绕组电压的开关频率 fph之间的关系为之间的关系为 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率给定子相绕组供电的功率变换器输出

18、电流脉动频率 则为则为 60phrfnN60rphN nf60nmNfrD)22kNNkmNsrs1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的双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，但应尽量接近。、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定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转角的平均变化率，这是提高电子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。机出力的重要因素。)22kNNkmNsrs 相数相数 3 4 5 6 7 8

19、 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 没有自起动能力没有自起动能力（1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole（3） 3-phase 6

20、 stator pole/4 rotor pole（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pole PM PM 开关磁阻电机的优缺点开关磁阻电机的优缺点vSR电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，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。vSR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

21、电机相比，体积小、坚固、维护量小。v由于由于SR电机的转矩与电流极性无关，只需要单方向的电流激励，因此在理论上功率变换电机的转矩与电流极性无关，只需要单方向的电流激励，因此在理论上功率变换器电路中每相可以只用一个可控开关元件，而且每个可控开关元件都与电机绕组串联，不器电路中每相可以只用一个可控开关元件，而且每个可控开关元件都与电机绕组串联，不会出现像交流电机会出现像交流电机PWM逆变器那样有电源直通短路的危险，所以功率变换器电路简单，逆变器那样有电源直通短路的危险，所以功率变换器电路简单，可靠性高。可靠性高。vSR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

22、绕组，系统在低速运行时，不仅转矩大，而且转子发热不严重。vSRD系统可以通过对电流的导通、断开以及电流幅值等的控制，易于实现系统的软启动，系统可以通过对电流的导通、断开以及电流幅值等的控制，易于实现系统的软启动，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。vSRD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。vSR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。1)1)电动机结构简单、成本低、适用于高速电动机结构简单、成本低、适用于高速 SRSR电机

23、转子上没有任何形式的绕组、永电机转子上没有任何形式的绕组、永磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，磁体、滑环等，定子上只有简单的集中绕组，绕组端部较短，没有相间跨接线，因此绕组端部较短，没有相间跨接线，因此SRSR电机电机的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。的结构比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 因为电动机转矩方向与绕因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。功率电路可以做到每相一个功率开关。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

24、统 从电动机从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自的电磁结构上看，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矩。而不像在一般电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和磁路共同作用下产生一个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，电动机才能正常运转。圆形旋转磁场，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 控制器从电源侧吸收较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转矩是本系统少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。的一大特点。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6

25、-7IN,2-3TN）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系统系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，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小，电动机和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运行时还小。控制器发热较连续额定运行时还小。6)6)可控参数多，调速性能好可控参数多，调速性能好 控制开关磁阻电控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四动机的主要运行参数和常用方法至少有四种种: :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, ,相绕相绕组电压。组电压。7)7)效率高，损耗小效

26、率高，损耗小 SRDSRD系统是一种非常系统是一种非常高效的调速系统。高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满足各可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求种特殊使用要求 。9)9)缺点：转矩脉动、振动、噪声缺点：转矩脉动、振动、噪声 但可通但可通过特殊设计克服过特殊设计克服54SRD的特点vSR电机结构简单、坚固、维护量小v功率变换器电路简单、可靠性高v可以在宽广的速度和负载范围内高效率运行v控制方便、灵活，易于实现四象限运行v起动电流小，启动转矩大v容错能力强，在缺相情况下仍能可靠运行v转矩脉动大v振动与噪声大 开关磁阻电动机（开关磁阻电动机（Switched Reluct

27、ance Drive ：SRD）是）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最最新一代无级调速系统新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力，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、设计和制作技术为电子技术、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。一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研英、美等经济发达国家对开关磁阻

28、电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数w直到数直到数百百kw，广泛应用于，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆车辆等领域。等领域。 71电动汽车用开关磁阻电机72开关磁阻电机驱动的纯电动汽车 五相SRM三相SRM73于于2004年年6月投入了武汉市的月投入了武汉市的510公汽线路上运行至今。公汽线路上运行至今。 课题成果目前的应用情况 742002年年12月月50/100kW开关磁阻电机在东风技术中心的装车照片开关磁阻电机在东风技术中心的装车照片 vSR电机设计研究：电

29、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

30、研究：电动车、发电机、一体化电机等不计磁滞、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 Te K J TL R1 d 1/dtt1 u1 + - . . . Rm d m/dt um + - 耦合磁场耦合磁场 i1 im 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:所以：所以：电阻压降电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkddidLuLidtdtdt22212222112211112222rdidLddLPuiiLiLii

31、dtdtdtdtddL dddLLiiLiidtddtdtdddLiTe221refTdtdW为电磁转矩Wf为磁场储能，r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：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，因此开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩转矩方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电。转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，因此，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子位置角而增大时，给绕组通电才只有当绕组电感随转子位

32、置角而增大时，给绕组通电才能产生正向电动转矩。能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，当电感随转子位置角而下降时，如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。1.相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。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，必须在绕组电感开始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。下降之前提前关断绕组。ddLiTe221线性模型有利于对线性模型有利于对SR电机的定性分析，了解电机的定性分析，了解其运动的物理状况、内部各物理量的基本特点和相其运动的物理状况、内部各

33、物理量的基本特点和相互关系；互关系；准线性模型具有一定的计算精度，多用于分析准线性模型具有一定的计算精度，多用于分析和设计功率变换器和制定控制策略；和设计功率变换器和制定控制策略；非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是电非线性模型则用于电机性能计算、仿真，是电机设计的必需手段。机设计的必需手段。 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

34、续到负转矩区。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。典型机械特性0bscconst.Tconst.T.const2TTorqueSpeedSeries dcAPCCCC22eLddTJKTdtdt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diiWci0),(-i),(iWTcediTmNTrNerav/20),(2 不计磁路饱

35、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 = 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 1stator =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 =0ostator = 2位置位置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 2stator = 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

36、子磁极前沿重合位置rotor 3stator = 4位置位置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 4stator = 5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 5 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

37、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：-544max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/sLmin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 。相电流解析分析相电流解析分析-zonzoffsoffonsUU,0uk忽略电阻，相绕组电压方程：忽略电阻，相绕组电压方程：而：而： =L idtdUSdidLdidLUsLiLidtd

38、tdtd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：-54243322200000iKiKTTTKT为常数为常数sdidLULidtdsUdidLLiddminsUdiLdmin( )sonUiL -min2()sUCLKi-min2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKdd-min2()( )()sonUiLK-min2(2)( )()soffonUiLK-max(2)( )soffonUiL-max4(2)( )()soffonUiLK-12min2min23min234max45max4()()(2)()()

39、(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK- 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典型电流波形典型电流波形结构一定，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

40、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。 ：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电流、转矩的因素。能定性地说明影响电流、转矩的因素。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

41、磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将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一段为饱和段，视为与一段为饱和段，视为与 =0的位置的的位置的磁化曲线平行磁化曲线平行,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准线性模型绕阻电感准线性模型绕阻电感L(i, ): 基于准线性模型，基于准线性模型，L(i, )是可解析的，可是可解析的，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

42、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：)21)(2minmax2min2222LLLUNmToffonoffSrav-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,平均转矩也相应增大。平均转矩也相应增大。但导通角但导通角 c= off- on有一个最佳值，超过此值，有一个最佳值，超过此值， c 增大，平均转矩反而减小。增大，平均转矩反而减

43、小。讨论：讨论：2.3 SR电机的控制原理电机的控制原理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/sa vUFT 整理得：整理得：对一定电机，结构参数一定。如对一定电机，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/ 恒转矩区恒转矩区 恒功率区恒功率区 串励特性区串励特性区 CCC 方式方式 APC 方式方式 1 2 c固定固定 o T 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

44、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。SR电机控制策略：电机控制策略：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

45、制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率 O i Imin Imax O i Imax O i O T off on增大增大 0 0 Amin Cmaxn 2 1 电电流流斩斩波波可可控控区区 起起动动斩斩波波 定定角角度度斩斩波波 变变角角度度斩斩波波 APC控控制制 可可变变角角度度运运行行区区 -onSLUimin)(HonSCILU-2minmax A B C D D A B C D D Te 30 O 导通相控制导通相控制 60 Tstmin D A C AB BC CD DA Te 30 O 导通相控制导通相控制 60 B D on off 导导 通通 区区 正正

46、 转转 on off 导导 通通 区区 反反 转转 O L O Te Te L,Te转转 L,Te转转 L L i L, , i O Te - -Te r/2 on r off 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。（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）可将全部电源电压加给电动机相绕组；组；（3）主开关器件的电压额定值与电动机）主开关器件的电压额定值与电动

47、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）可通过主开关器件调制，有效地控）可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；制相电流；（6）能将能量回馈给电源。）能将能量回馈给电源。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

48、换相。换相。 。 + US - - VD1 VD2 VT1 VT2 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 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 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移到副绕组，通

49、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。 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，因而电机槽个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜及铜

50、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供尤其适宜于低压直流电源供电电场合场合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。

51、 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。它要求每一它要求每一瞬间必须上、下各瞬间必须上、下各有一相导通。有一相导通。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

52、绕组电压浮动）相绕组电压浮动可以实现零压续流，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主电路主电路续流续流斩波：V1关断，续流换相：V2关断，V1导通换相：V1关断，V2导通 VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + + US - - + U0 A B C D C2 C1 J

53、 电压检测电压检测 R1 R2 R3 380V VT RL 11 10 2 1 3 MID 3 1 2 8 9 MDI 14 15 5 4 6 2 3 1 9 AMP 过流保护电路过流保护电路 15 6 2 3 1 9 4 5 14 10mEXB841 驱动信号驱动信号 4.7k 1/2W 过流保护输出过流保护输出 TLP521 或等效或等效 47 F 47 F ERA34-10 RG IGBT ICC 20V 0V 隔离电源隔离电源 绞线绞线 2.5.1 静止部分静止部分运动部分运动部分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

54、成成37.5o夹角。夹角。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S P1 00 00 11 1 1 0S P导通相导通相0 0AD1 0DC1 1CB0 1 BA0 0AD Ui (fi) (fo) Ue U0 Ud (fo) 输出信号输出信号 压控振荡器压控振荡器 相位比较器相位比较器 控制电压控制电压 低通滤波器低通滤波器 误差电压误差电压 输入信号输入信号 fi 相位比较器相位比较器 低通滤波器低通滤波器 压控振荡器压控振荡器 分频器分频器( N) fo =Nfi R5 R4 C4 + R7 R6 C3 S +5V Q VIN

55、 16 3 4 14 6 7 13 9 11 12 5 8 CD4046 CD4040 8 11 10 12 16 14 4 3 13 15 S 信号信号 6 7 300pF 4046 10k 47k 1M 0.22 F OUT1 CLK1 8253 CS A0 A1 D0 D7 WR RD 8 8 P0 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 ALE RD WR MCU A1 A0 D0 D7 8253 CLK0 GATE0 P1.0 CS RD WR 373 154 INT1 测测 S、 P跳跳变变 f0 CPU 80C196KC HSI.0 HSI.1 S P 60nNfrp + - -

56、 R2 R1 +15V R3 R4 UCC C2 C1 + - Uout 充电泵充电泵 2 3 4 1 5 8 10 11 S LM2907 cNTpmn160fmT2 定时器定时器 计数器计数器 总线总线 位置脉冲信号位置脉冲信号 记数器记数器 接口接口 总线总线 时钟脉冲时钟脉冲 位置脉冲信号位置脉冲信号 1260Nm fnp m D 触触发发器器 D CP Q Tc HSO.0 HSI.0 HSI.1 SP Td Tc Td m1 m2 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 R R1 R2 Uo IL +UCC V _ _ Uo Ui Uoffset is Re

57、R1 R2 R3 Rf IL +15V -15V LEM VT1 VT3 VD3 VD1 VD2 VD4 VT2 VT4 + + US - - + U0 A B C D C2 C1 LEM1 LEM2 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C LEM SRM 功功率率 变变换换器器 - - US + 位位置置 传传感感器器 转转速速计计算算 逻逻辑辑控控制制 ASR 控控制制模模式式选选择择 正正反反转转指指令令 ACR PW M 逻逻辑辑 “与与” 放放 大大 驱驱 动动 * - - + + T* i* -

58、- i on , off 键盘电路键盘电路 显示电路显示电路 故障检测电路故障检测电路 位置、速度信位置、速度信号检测电路号检测电路 EPROM 和和 E2PROM 电路电路 晶振和复位晶振和复位 电路电路 电流斩波与过电流斩波与过流保护电路流保护电路 电流检测电路电流检测电路 过电流保护过电流保护 电路电路 相控信号相控信号 输出电路输出电路 逻逻辑辑综综合合电电路路 CPU (80C196KC) 功功率率变变换换器器隔隔离离驱驱动动电电路路 HSI HSO PWM P0 ACH4 DSP 具具有有PWM发生单元，可产生发生单元，可产生16路路PWM 信号信号; ;：光电传感器反馈转子光电传

59、感器反馈转子位置信号。通过位置信号。通过F2407 的捕获单元的捕获单元(CAP14 4) 对脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信对脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信号的检测。号的检测。CAP 单元不仅能检测信号的变化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而且还能记录两次信号变化的时间间隔，由此由此，进而准确地控制各相的开通和关进而准确地控制各相的开通和关断断。使用磁场平衡式霍尔检测器使用磁场平衡式霍尔检测器(LEM 模块模块) 来检测电机的三相电流。来检测电机的三相电流。LEM的的输出一方面输入到输出一方面输入到F240 的的A/D 转换口转换口,转换成转换成数字

60、信号后用以控制电流斩波限数字信号后用以控制电流斩波限;一方面输入一方面输入到保护电路到保护电路,实现对功率变换器主开关的过流实现对功率变换器主开关的过流保护。保护。5) 键盘、显示电路键盘、显示电路: 初始化初始化 _DSP 设置设置 _事件管理器初始化事件管理器初始化 _SRM 控制参数初始化控制参数初始化 _使能中断使能中断 _开始后台程序运行开始后台程序运行 开始开始 执行程序执行程序 后台程序后台程序 _ 速度估计速度估计 _ 可视化反馈可视化反馈 定时器中断定时器中断 _ 电流控制电流控制 _ 位置估计位置估计 _ 角度估计角度估计 _ 换相控制换相控制 _ 速度控制速度控制 捕获中断捕获中断 _ 保存捕获的数据保存捕获的数据 _ 转子位置测量值更新转子位置测量值更新 _ 速度测量值更新速度测量值更新 _ 角度测量值更新角度测量值更新 位置检测位置检测 功率变换器功率变换器 SR 发电机发电机 电流检测电流检测 控制信号控制信号 控制器控制器 电电 源源 电功率输出电功率输出 机械功率输入机械功率输入