工学磁阻电机.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微特电机,#,微特电机,第三章 开关磁阻电机,1,微特电机,第,3,章开关磁阻电机,(SRD),3.1 SRM,传动系统,3.2 SRM,基本方程与性能分析,3.3 SRD,的 控制原理,3.4 SRD,的功率变换器,3.5 SRD,传动系统的反馈信号检测,3.6 SRD,控制系统原理及其实现,3.7,基于单片机的,SRD,控制系统,3.8,基于,DSP,的,SRD,控制系统,3.9,开关磁阻发电机,2,微特电机,3.1 SRD,传动系统,3.1.1,SRD,传动系统的组成,3,微特电机,一、,SR,电动机定、转子实际结构,4,微特电机,微特电机,5,图,SRM,电机结构,1,传感器；,2,磁盘,微特电机,6,光电式位置检测器由齿盘和光电传感器组成。齿盘截面和转子截面相同，装在转子上，光电传感器装在定子上。,当磁盘随转子转动时，光电传感器检测到转子齿的位置信号。,传感器,SR,电机结构与原理,结构特点：,1,、双凸极结构,2,、定子集中绕阻、绕组为单方向通电,3,、转子无绕阻,7,微特电机,3.1.2,开关磁阻电动机的相数与结构,相数与级数关系,1,、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的,定子和转子齿槽数应为偶数。,2,、,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。,8,微特电机,SR,电动机常用的相数与极数组合,9,微特电机,相数,3 4 5 6 7 8 9,定子极数,6 8 10 12 14 16 18,转子极数,4 6 8 10 12 14 16,步进角,(,度,)30 15 9 6 4.28 3.21 2.5,SR,电机常用方案,相数与转矩、性能关系：,相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相,SRM,低于三相的,SRM,没有自起动能力,10,微特电机,外转子单相,SR,电动机,11,微特电机,利用永磁体辅助起动的单相,SR,电动机,12,微特电机,（,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,13,微特电机,3.1.3,运行原理：,磁阻最小原理,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,A-A,通电,1-1,与,A-A,重合,B-B,通电,2-2,与,B-B,重合,C-C,通电,3-3,与,C-C,重合,D-D,通电,1-1,与,D-D,重合,依次给,A-B-C-D,绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转,14,微特电机,12/8,极三相开关磁阻电动机,15,微特电机,工作原理,以左图为例说明工作原理，当,A,相绕组电流控制开关,K1,、,K2,闭合时，,A,相通电励磁，所产生的磁场力图使转子旋转到转子极轴线,与定子极轴线,的重合位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。,微特电机,16,工作原理,顺序给,A,B,C,D,相绕组通电，则转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给,D,C,B,A,相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动。在多相电机实际运行中，也常出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。,当,相中的定子绕组轮流通电一次，转子转过一个转子极距,。,微特电机,17,对于,m,相,SR,电动机,当定子齿极数为,Ns,转子齿极数为,Nr,，则转子极距角为,；,定子每通电、断电一次转子对应的转角,称为步距角为,微特电机,18,绕组通电频率与转速的关系,SRM,电动机每一转绕组通断次数,Np(,即每转步数）为：,当,SRM,电动机以转速,n,（,r/min,）转动时，,SRM,电动机总的切换频率为：,每相绕组的通电频率为,微特电机,19,以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强,当某一相通电时，磁极极尖处磁场强,20,微特电机,21,微特电机,22,微特电机,23,微特电机,24,微特电机,25,微特电机,26,微特电机,27,微特电机,28,微特电机,29,微特电机,30,微特电机,31,微特电机,32,微特电机,33,微特电机,34,微特电机,35,微特电机,36,微特电机,37,微特电机,38,微特电机,39,微特电机,1,、依次给,A-B-C-A,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，就可改变电机的转向,2,、通电一周期，转过一个转子极距,t,r,=360/N,r,3,、步距角,q,b,=,t,r,/m=360/(mN,r,),4,、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。,5,、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，需要与控制器一同使用。,结 论：,40,微特电机,3.1.4 SRD,特点,1),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单的鼠笼式感应电动机还要简单。,2),功率电路简单可靠,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，故功率电路可以做到每相一个功率开关。,41,微特电机,SRD,特点：,3),各相独立工作,可构成极高可靠性系统 从电动机的电磁结构上看，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。,42,微特电机,SRD,特点：,4),高起动转矩,低起动电流 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的一大特点。,（,SR:0.4I,N,1.4T,N,acM:6-7I,N,2-3T,N,）,43,微特电机,SRD,特点：,5),适用于频繁起停及正反向转运行,SRD,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小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。,6),可控参数多，调速性能好,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种,:,相开通角,相关断角,相电流幅值,相绕组电压。,44,微特电机,7),效率高，损耗小,SRD,系统是一种非常高效的调速系统8),可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求,。,9),缺点：,转矩脉动、振动、噪声,但可通过特殊设计克服,SRD,特点：,45,微特电机,3.1.5 SRD,发展概况,7.5 kW,、,1500 r/min,几种调速系统性能比较,46,微特电机,航空工业,家用电器,机械传动,精密伺服系统,电动车,应用,3.1.6 SRD,的应用与研究动向,47,微特电机,SRD,的研究方向,SR,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,SR,电机的控制策略研究：,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、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略,智能控制策略,48,微特电机,SRD,的研究方向,SR,电机的无位置传感器控制,SR,电机的振动、噪声研究,无轴承,SR,电机研究（磁悬浮）,SR,电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等,49,微特电机,3.2 SR,电机基本方程与性能分析,不计磁滞、涡流及绕组间互感时，,m,相,SR,电机系统示意图,J,转,子与负载的转动惯量,D,粘,性摩擦系数,T,L,负,载转矩,50,微特电机,3.2.1 SR,电机的基本方程,1.,电压方程,第,k,相绕组的相电压平衡方程,:,第,k,相绕组的端电压；,第,k,相绕组的电流；,第,k,相绕组的电阻；,第,k,相绕组的磁链。,51,微特电机,2.磁链方程,各相绕组的磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置的函数，但由于,SR,电机各相之间的互感与自感相比很小，所以一般分析时忽略互感。因此磁链方程为：,电感与电流有关是由于磁路非线性的原因，电感随位置值角变化正是,SR,电机的特点，是产生转矩的条件。,微特电机,52,磁链方程,所以：,电阻压降,变压器电动势,运动电动势,(,转子位置改变,),53,微特电机,3.,机械运动方程：,式中,T,e,电磁转矩；,J,系统的转动惯量；,K,摩擦系数；,T,L,负载转矩。,54,微特电机,4.,转矩公式,磁共能的表达式为：,SR,电机的瞬时电磁转矩,T,e,可由磁共能,W,c,导出：,SR,电机的平均电磁转矩,T,av,55,微特电机,磁场储能,磁共能,3.2.2,基于理想线性模型的,SR,电动机分析,1.,线性模型：,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,SR,电机相电感随转子位置变化,56,微特电机,stator,=,1,位置,rotor,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,1,转子转动方向,57,微特电机,stator,=0,o,位置,rotor,定子磁极轴线与转子凹槽中心重合,=0,o,58,微特电机,stator,=,2,位置,rotor,转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置,2,59,微特电机,stator,=,3,位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置,rotor,3,60,微特电机,stator,=,4,位置,rotor,转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,4,61,微特电机,stator,=,5,位置,rotor,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,5,62,微特电机,=0,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,2,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,4,转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,63,微特电机,SR,电机绕组电感的分段线性解析式：,K=(L,max,-L,min,)/(,3,-,2,)=,(L,max,-L,min,)/,s,特征：,随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在,L,max,和,L,min,之间线性地变化。,L,min,为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感,L,max,定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感。,64,微特电机,2.,相绕组磁链,SR,电动机一相绕组主电路如作图所示，当,Us,为常数时，电压方程为：,式中，,+,对应绕组与电源接通，,对应续流。,微特电机,65,相绕组磁链（续）,根据忽略所有损耗的假设，上式简化为：,或,式中，为转子的角速度。,开关,S1,、,S2,合闸瞬间（,t=0,）为电路的初始状态，此时，为绕组接通瞬间定、转子磁极间的相对位置，称开通角。,将上式积分，带入初始条件，得通电阶段磁链表达式为：,微特电机,66,相绕组磁链（续）,当 关断电源时，磁链达到最大值为：,式中，为绕组断开电源瞬间定、转子磁极相对位置角，称为关断角；,为定子一相绕组的导通角，。,将上式积分，带入初始条件，得续流阶段磁链表达式为：,微特电机,67,一相绕组的磁链曲线,微特电机,68,3.,相绕组的电流,第,k,相绕组模型,续流结束角,69,微特电机,忽略电阻，相绕组电压方程,：,所以,:,而：,=L i,相电流解析分析,同时可以导出：,K,T,为常数,70,微特电机,1),当,1,2,L=L,min,Us,为,+,因：,L=L,min,U,s,取,+,则：,又：,i,(,on,)=0,所以，当,1,2,时，,71,微特电机,2),当,2,off,，,L=L,min,+K(-,2,),，,U,s,为,+,积分得：,式中，,C,为积分常数,72,微特电机,由初始条件：,i,(,2,)=Us(,2,-,on,)/(,L,min,),确定积分常数,C=U,s,on,/,，所以,2),当,2,off,时,在,2,off,期间,73,微特电机,3),当,off,3,L=L,min,+K(-,2,),，,U,s,为,-,4),当,3,4,L=L,max,，,U,s,为,-,5),当,4,2,off,-,on,5,L=L,max,-K(-,4,),，,U,s,为,-,74,微特电机,开通角,75,微特电机,关断角,典型电流波形,76,微特电机,on,2,:,电感上升，使绕组,电流下降,off,3,:,在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。,3,z,4),，绕组电流将产生制动转矩，因此，主开关的关断不能太迟。但关断过早也会由于电流有效值不够而导致转矩减小，且在最大电感期间，绕组也不产生转矩，因此取关断角,off=(,2+,3)/2,，即电感上升区的中间位置是比较好的选择。,微特电机,84,3.2.3,考虑饱和时的,SR,电机分析,（准线性模型分析）,在实际,SR,电动机中，由于磁路饱和与边缘效应的影响，电感随转角的变化曲线与理想线性模型中的曲线有很大的差别，它不仅是转角的函数，还是电流的函数，如下图所示,微特电机,85,(,图中,L,、,i,都用标么值表示，选理想线性模型中的,Lmax,为电感基值，取额定电流为电流基值,),。,实际,SR,电动机中电流、磁链和转矩的计算比理想线性模型法复杂得多。,微特电机,86,考虑磁路饱和的计算十分复杂，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：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合,两段线性处理：,一段为饱和段，视为与,=0,的位置的磁化曲线平行,斜率为,L,min,；一段为非饱和段，为,L(,i,),的 不饱和段。,（准线性模型分析）,实际磁化曲线,分段线性磁化曲线,i,1,87,微特电机,准线性模型绕阻电感L(i,):,88,微特电机,基于准线性模型，,L(i,),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，由此得到,SR,电机的瞬时转矩的分段解析式：,微特电机,89,在相电流为理想平顶波的情况下，,SR,电机平均电磁转矩,T,av,的解析式,当,SR,电动机运行在电流值很小的情况下，磁路不饱和，电磁转矩与电流平方成正比；当运行在饱和情况下，电磁转矩与电流的一次方成正比。这个结论可以作为制定控制策略的依据。,90,微特电机,1),on,是控制转矩的重要参数：,一定时，若开通角,on,较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩,。,2),在,on,一定时，增大,off,平均转矩也相应增大。但导通角,c=,off,-,on,有一个最佳值，超过此值，,c,增大，平均转矩反而减小。,讨论：,91,微特电机,3.3 SR,电机的控制原理,3.3.1 SR,电机运行特性：,式中，,F,为以电机结构参数,(m,，,Nr,，,2,，,L,max,，,L,min,),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：,T,av,=k/,2,P=k/,式中，,k,为与电机参数有关的常数；,P,为功率。,92,微特电机,SR,电动机的基本机械特性,93,微特电机,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,。,94,微特电机,3.3.2 SR,电机控制策略：,基速以下，,电流斩波控制,(CCC),，输出恒转矩,可控量为：,Us,、,on,、,off,控制法,1,：,固定,on,off,，通过电流斩波限制电流，得到恒转矩。,控制法,2,：,固定,on,off,，由速度设定值和实际值之差调制,Us,，进而改变转矩,基速以上，,角度位置控制,(APC),，输出恒功率,95,微特电机,1.,电流斩波,（,Chopped Current control,CCC),控制,为了保证,SR,电动机的可靠运行，一般在低速,(,基速以下,),时，采用,CCC,控制,(,又叫电流,PWM,控制,),；在高速情况下，采用,APC,控制,(,也叫单脉冲控制,),。,微特电机,96,1.,电流斩波,（,Chopped Current control,CCC),控制,（,1,）,CCC,控制,在,SR,电动机起动、低、中速运行时，电压不变，旋转电动势引起的压降小，电感上升期的时间长，而,di/dt,的值相当大，为避免电流脉冲峰值超过功率开关器件和电机的允许值，采用,CCC,控制模式来限制电流。,斩波控制一般是在相电感变化区域内进行的，由于电机的平均电磁转矩,Tav,与相电流,I,的平方成正比，因此通过设定相电流允许限值,Imax,和,Imin,可使,SR,电机工作在恒转矩区。,微特电机,97,（,1,）,电流斩波,（,Chopped Current control,CCC),控制,CCC,控制又分为起动斩波模式、定角度斩波模式和变角度斩波模式三种。,起动斩波模式：,在,SR,电机起动时采用。此时，要求起动转矩大，同时又要限制相电流峰值，通常固定开通角,on,和关断角,off,，导通角,c,的值相对较大。,定角度斩波模式：,通常在电机起动后低速运行时采用。导通角,c,的值保持不变，但限定在一定范围内，相对较小。,变角度斩波模式：,通常在电机中速运行时采用。此时转矩调节是通过电流斩波控制和改变开通角,on,与关断角,off,的值来实现的。,微特电机,98,99,微特电机,在一个控制周期内，检测电流；与给定电流的上限幅,Imax,和下限幅值,Imin,进行比较，当,iImax,时，则控制功率开关器件关断；当,i,Imin,时，使该相的开关器件重新导通。这样，就使相电流,i,维持在期望值。在一个周期内，由于相绕组电感不同，电流的变化率也不同，因此，斩波频率疏密不均。在低电感区，斩波频率较高；高电感区，斩波频率下降，其电流波形如图所示。,(,),限制电流上、下幅值。,(,),电流上限和关断时间恒定,。,100,微特电机,这种方式是：相电流,i,与给定电流,Imax,进行比较，当,i,时，控制功率开关器件关断一段间后再导通。左图为该控制模式下的相电流波形。在每一个控制周期内，关断时间恒定，但电流下降多少取决于绕组电感量、电感变化率以及转速等因素，因此，电流下降量并不一致。此外，对于关断时间的选取应适宜，时间过长，相电流脉动大，发生“过斩”；时间过短，斩波频率过高。,（,）,PWM,斩波调压控制,。,101,微特电机,与以上两种方法不同，这种方案通过,PWM,斩波调压间接地调节电流。调节,PWM,波的占空比可以调节直流侧电源电压，也可以调节各相绕组的电压。,前者对公共开关管的可靠性要求较高，后者的各相开关将工作在高频斩波状态，损耗大。,PWM,斩波调压控制的电流波形如左图所示。,微特电机,102,在电动机高速运行时，为了使转矩不随转速的平方下降，在外施电压一定的情况下，只有通过改变开通角,on,和关断角,off,的值获得所需的较大电流，这就是,APC,控制。,在,APC,控制中，由于开通角,on,通常处于低电感区,(,on,2),，它的改变对相电流波形影响很大，从而对输出转矩产生很大影响。因此一般采用固定关断角,off,、改变开通角,on,的控制模式。,2 APC,（,Angular position control,),控制,（,角度位置控制,）,APC,运行时,T,av,与,on,、,off,的关系,103,微特电机,微特电机,104,3.,组合控制方式,SR,电动机控制方式的选择是依据转速的高、低来决定的。一般低速时采用电流斩波控制方式，高速时采用角度控制方式，中速时电流斩波和角度位置控制方式结合使用，各种运行方式沿速度轴的合理分布如图所示。,微特电机,105,其中,o,为起动斩波的最高限速，,1,为第一临界角速度,(,最大功率下的最低转速或最大转矩下的最高转速,),，,cmax,为电流斩波最高限速，,2,为第二临界角速度,(,最大功率下的最高转速,),，,Amin,为变角度运行的最低限速。（各个速度的计算见参考书,p101,）,组合控制方式,(,续）,电流斩波的最高限速,C,max,(,on,0),产生正转矩，其性能在两个方向是一致的。两相,SR,电动机可以从任意转子位置起动，但只能单方向运行。三相及三相以上,SR,电动机可以在任意转子位置正、反转起动，而且不需要其他辅助设备。,微特电机,108,SR,电动机的起动有一相绕组通电起动和两相绕组通电起动两种方式，本节以四相,8/6,极,SR,电动机为例定性分析,SR,电动机的起动运行特点。,在起动时给电动机的一相绕组通以恒定电流，随着转子位置的不同，,SR,电动机产生的电磁转矩大小也不同，甚至转矩的方向也会改变。,首先介绍矩角特性。,微特电机,109,电动机在每相绕组通以一定电流时产生的电磁转矩,Te,与转子位置角,之间的关系称为矩角特性，如图所示。,矩角特性,四相,SR,电动机的典型矩角特性曲线,微特电机,110,从图中可以看出，如果,各相绕组选择适当的导通区间,，单相起动方式下起动转矩可以为各相矩角特性上的包络线，而相邻两相矩角特性的交点则为最小起动转矩,(Tstmin),。如果负载转矩大于,SR,电动机的最小起动转矩，则电动机存在起动死区。,SR,电动机的起动,两相起动时合成转矩波形,111,微特电机,为了增大起动转矩、消除起动死区，可以采用两相起动方式，即在起动过程中的任一时刻均有两相绕组通以相同的起动电流，起动转矩由两相绕组的电流共同产生。如果忽略两相绕组间的磁耦合影响，则总起动转矩为两相矩角特性之和。两相起动时合成转矩和各相导通规律如图所示。,SR,电动机的四象限运行控制,SR,电动机正反转控制原理,112,微特电机,微特电机,113,3.3.4 SR,电动机的四象限运行,SR,电动机产生的电磁转矩与其相绕组电流的方向无关，通过改变相绕组励磁位置和触发顺序即可改变转矩的大小和方向，实现正转电动、正转制动、反转电动和反转制动四种运行方式，即可以实现四象限运行。,微特电机,114,1,正反转控制,相对正转而言，反转运行需要两个条件：一是应该有负的转矩；二是应该有反相序的控制信号。,由,3.2,节的分析可知：主开关器件的开通角。和关断角决定每相绕组的通电区域，若在,L/0,区段通电则产生正转矩；若在L/0,区段通电则产生负转矩。当电机按负转矩反向旋转时，位置检测器的信号就自动反相序，因此经逻辑变换自然形成反相序,(,相对于正转逻辑,),控制信号。,微特电机,115,1,正反转控制,(,续,),如果,on,和,off,为正转控制角，则只要将控制导通区推迟半个周期，就可以产生负转矩，并实现反转。反转之后的控制角分别为 和 ，反转之后的实际控制角仍然在正常电动控制范围内，如图所示。,制动状态下,L,i,T,e,与转子,位置角,的关系示意图,116,微特电机,3.4 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。,117,微特电机,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。,118,微特电机,3.4.1,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,VT,1,和,VT,2,同时导通时，电源,U,S,向电机相绕组供电；当,VT,1,和,VT,2,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。,119,微特电机,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,120,微特电机,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,121,微特电机,2.,双绕组型,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,。,122,微特电机,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,123,微特电机,3,、电容分压型（电源分裂式）,两个相串联的电容,C,1,和,C,2,将电源电压一分为二,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。,124,微特电机,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,125,微特电机,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-CD-DA,126,微特电机,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,127,微特电机,4,相,SR,电机主电路工作方式,4,相,8/6,极,SR,电机主电路,128,微特电机,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,129,微特电机,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,主电路,续流,130,微特电机,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，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,131,微特电机,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：,1.5,190 N,m,；,过载能力：,120%,。,132,微特电机,功率变换器主电路,133,微特电机,器件的选用,IGBT,模块结构图,134,微特电机,EXB841,原理图,IGBT,驱动电路,135,微特电机,EXB841,典型应用电路,136,微特电机,3.5 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,30,o,间隔的齿,位置检测,137,微特电机,位置信号检测电路原理图,VG,为光耦，,R,1,、,R,2,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。,光电耦合器件,138,微特电机,槽型光电耦合开光,139,微特电机,4,相,SR,电机位置传感器安装示意图,定子上安装两个相距,75,o,的光敏器件,S,、,P,分别与定子极中心线成,37.5,o,夹角。,可输出两路相差,15,o,、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,140,微特电机,位置,1,：,0,o,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,15,o,。,P,被遮，输出低电平，持续,30,o,。,141,微特电机,s,P,导通相分析,：,位置,2,：转过,15,o,令转向为逆时针旋转，则应为,B,、,C,两相导通,位置传感器信号：,S,被遮，输出低电平，持续,30,o,。,P,被遮，输出低电平，持续,15,o,。,142,微特电机,s,P,位置,3,：转过,30,o,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,15,o,。,P,未遮，输出高电平，持续,30,o,。,143,微特电机,s,P,位置,4,：转过,45,o,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,30,o,。,P,未遮，输出高电平，持续,15,o,。,144,微特电机,s,P,导通相分析,：,位置,5,：转过,60,o,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,15,o,。,P,被遮，输出低电平，持续,30,o,。,定、转子相对位置同位置,1,，,60,o,一周期。,145,微特电机,s,P,正转逻辑关系,逆时针旋转,S P,导通相,1 0,AB,0 0,BC,0 1,CD,1 1,DA,1 0,AB,146,微特电机,反转逻辑关系,S P,导通相,0 0,AD,1 0,DC,1 1,CB,0 1,BA,0 0,AD,147,微特电机,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,15,o,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,148,微特电机,光耦输出信号与转子位置关系,149,微特电机,锁相环原理,150,微特电机,角度细分电路,(I),151,微特电机,角度细分电路,(II),152,微特电机,软件角度细分电路,(I),153,微特电机,软件角度细分电路,(II),154,微特电机,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，且便于与计算机接口,。,155,微特电机,用,LM2907,构成的,F/V,转换电路,156,微特电机,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,p,N,和,T,c,相同的条件下，高转速时,m,1,较大，量化误差较小。,M,法测速,T,法测速,157,微特电机,M,法测速原理图,T,法测速原理图,158,微特电机,M/T,法测速,M/T,法测速方案之一,M/T,法测速原理,159,微特电机,2.5.3,电流检测,SR,电动机电阻采样电流检测电路,160,微特电机,霍尔电流传感器检测电路,161,微特电机,四相,SR,电动机电流检测,162,微特电机,三相,SR,电动机电流检测,163,微特电机,2.6 SRD,控制系统原理及其实现,SRD,控制系统原理图,164,微特电机,2.7,基于单片机的,SRD,控制系统,165,微特电机,2.8,基于,DSP,的,SRD,控制器,166,微特电机,基于,DSP,的,SRD,系统硬件介绍,1,）控制器：,TMS320F2407,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。,167,微特电机,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,(CAP1,4,),对脉冲信号进行实时检测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,。,168,微特电机,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。,169,微特电机,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。,170,微特电机,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,171,微特电机,控制软件流程,172,微特电机,2.10,开关磁阻发电机,SRG,系统组成,173,微特电机,开关磁阻发电机,开关磁阻发电机与电动机相同，定子绕组同时兼有励磁绕组和电枢绕组的功能。这种结构决定了开关磁阻发电机的励磁和发电是分时的。在励磁阶段，相绕组有外电源供电，建立电流，并将原动机的机械能转化为磁场能；在发电阶段，相绕组通过续流二极管把电能送给负载。,微特电机,174,双开关型,SR,发电机主电路,-,他励式,175,微特电机,双开关型,SR,发电机主电路,-,自励式,176,微特电机,(a),励磁状态,(b),发电状态,SR,发电机一相绕组等效电路,177,微特电机,开关磁阻发电机的典型相电流波形,178,微特电机,本章完,谢谢！,