開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計摘要開關(guān)磁阻電機作為上世紀80年代出現(xiàn)的一種新型機電一體化系統(tǒng)，具有非常優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電機既保留了感應(yīng)電機的絕大部分優(yōu)點，而且具有控制器簡單、運行可靠性高、控制靈活方便和價格便宜等突出特點。而近來，隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)也與時俱進，日趨先進，在電動車、航空工業(yè)、家用電器和機械傳動領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，成為電氣傳動領(lǐng)域的新勢力。 本次論文主要對開關(guān)磁阻電動機的驅(qū)動系統(tǒng)進行設(shè)計，以80C196KC單片機作為控制核心，得出基于位置傳感器檢測和電流檢測的控制方案。論文的理論基礎(chǔ)是開關(guān)磁阻電動機的理想線性數(shù)學模型，通過研究開關(guān)磁阻電動機的控制特性、可控角、關(guān)斷角、相電流、繞組端電壓與控制策略之間的關(guān)系，進行系統(tǒng)的硬件電路和系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計。論文通過對開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計，實現(xiàn)了電機的方便的正、反轉(zhuǎn)控制和制動控制，并設(shè)計了比較完備的電流和電壓保護環(huán)節(jié)，以保證系統(tǒng)的可靠運行。關(guān)鍵詞: 開關(guān)磁阻電機；開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；位置傳感器；80C196KCABSTRACTSwitched reluctance motor as a new type of mechatronic systems appeared at the 80s of last century, with very good performance and wide application prospects.Comparing with the traditional AC and DC speed control systems, switched reluctance motor has retained most of the advantages of the induction motor, but also the controller is simple, reliable, flexible and inexpensive control and other prominent feature.And recently, with the the rapid development of power electronics technology and computer technology, switched reluctance motor drive systems becoming more advanced, Has been successfully applied to the electric car, the aviation industry, household appliances and mechanical drive system and become a new force in the field of electric drive. This paper focuses on the switched reluctance motor drive system which designed to Intel 80C196KC MCU As the core of control, location-based sensor and obtained current detection control program. The theoretical basis of this paper is ideal linear switched reluctance motor model, by studying the control characteristics of switched reluctance motor, controllable angle, turn-off angle, phase current, the winding terminal voltage and the relationship between the control strategy, then the systemof hardware and system control software design.This paper by designing every aspect of switched reluctance motor, implementation of the motor which is easy turn t and brake , and then design a more complete link current and voltage protection to ensure reliable operation of the system.KeyWords: Switched Reluctance Motor; SRD; Control system; Position sensor; 80C196KC目 錄第1章 緒 論11.1課題背景11.2 SR電機與SR電機驅(qū)動系統(tǒng)概述11.2.1SR電機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理11.2.2SR電動機的特點21.3國內(nèi)外SR電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21.3.1SR電動機的發(fā)展概況21.3.2SRD系統(tǒng)概述31.3.3SR電機的未來研究方向31.4課題研究的主要內(nèi)容及意義4第2章 SR電機的數(shù)學建模及控制策略分析52.1引言52.2 SR電機的基本方程52.1.1電壓方程52.2.2 磁鏈方程52.2.3機械運動方程62.2.4轉(zhuǎn)矩公式62.3SR電動機的理想線性模型分析62.3.1SR電動機的理想線性模型62.3.2相繞組磁鏈方程72.3.3相繞組的電流方程82.3.4 電磁轉(zhuǎn)矩92.4SR電機的控制策略102.4.1SR電機的基本運行特性102.4.2SR電動機的起動112.4.3SR電動機運行控制11第3章 SRD系統(tǒng)的設(shè)計原理123.1 SR電動機的換相原理123.2 SRD控制系統(tǒng)原理123.2.1 速度給定單元123.2.2轉(zhuǎn)子位置檢測單元133.2.3 數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器153.2.4 電流檢測環(huán)節(jié)153.2.5 電流和電壓斬波控制調(diào)節(jié)器163.2.6綜合邏輯控制單元163.2.7功率變換器163.3 80C196KC單片機簡介16第4章 SRD系統(tǒng)硬件電路設(shè)計184.1系統(tǒng)概述184.2位置檢測電路194.3低速電流斬波器194.4高速電壓斬波電路204.5故障檢測電路204.6邏輯綜合電路214.7功率主電路224.8 參數(shù)顯示及外部接口電路234.9系統(tǒng)總電路圖23第5章 軟件控制245.1概述245.2主程序模塊255.3起動控制模塊265.4位置中斷模塊275.5控制算法模塊285.6轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)模塊295.7定時器中斷模塊295.8故障保護及處理模塊29第6章 總結(jié)31參考文獻32附錄33翻譯部分34致 謝53 本科生畢業(yè)設(shè)計 第53頁第1章 緒 論1.1課題背景 開關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）作為上世紀80年代出現(xiàn)的一種新型機電一體化系統(tǒng)，具有非常優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電機既保留了感應(yīng)電機的絕大部分優(yōu)點，而且具有控制器簡單、運行可靠性高、控制靈活方便和價格便宜等突出特點。而近來，隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)也與時俱進，日趨先進，在電動車、航空工業(yè)、家用電器和機械傳動領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，成為電氣傳動領(lǐng)域的新勢力。11.2 SR電機與SR電機驅(qū)動系統(tǒng)概述1.2.1SR電機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理開關(guān)磁阻電動機傳動系統(tǒng)（SRD）是上世紀八十年代新型調(diào)速系統(tǒng)，通過與日趨先進的電力電子技術(shù)與計算機控制技術(shù)相結(jié)合，具有許多顯著的優(yōu)點，在電氣傳動領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。SR電動機（三相6/4極）的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示，在SRD系統(tǒng)中起到機電能量轉(zhuǎn)換的作用。SR電動機為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，定子徑向相對的繞組可并聯(lián)或串聯(lián)成一相。常見的電機主要有三相6/4極與四相8/6極。圖1-1 三相6/4極電動機結(jié)構(gòu)原理圖SR電動機的基本工作原理是磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合“磁阻最小原理”。當定子的某一相通電時產(chǎn)生的磁場由于磁力線扭曲而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置。結(jié)合圖1-1，當C相通電時，由磁阻最小原理可知，磁力線扭曲產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩將帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子1-3極軸線與定子的CC極軸線對齊；接著，C相斷電，B相通電，使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過30,使轉(zhuǎn)子的2-4極極軸線與定子的BB相極軸線對齊；B相斷電，A相通電，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子1-3極軸線最終與定子AA極軸線對齊，這樣，一個周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90，當定子按C-B-A-C.的順序通電，電機沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。反之，若按C-A-B-C.給定子通電，則電機逆時針旋轉(zhuǎn)。由上分析易知，SR電機的旋轉(zhuǎn)方向至于定子繞組的通電順序有關(guān)，而與通電電流的方向無關(guān)。11.2.2SR電動機的特點開關(guān)磁阻電機在結(jié)構(gòu)和控制原理上面的特點使得其與其它種類的傳統(tǒng)電機相比，具有以下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。SR電動機的突出優(yōu)點就是定、轉(zhuǎn)子皆由硅鋼片疊壓而成，定子上也只有簡單的繞組，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。此外，與同樣性能的其他一些交流調(diào)速系統(tǒng)相比，SR電動機功率變換器的拓撲結(jié)構(gòu)也較簡單，開關(guān)元器件的數(shù)目較少，每相可以僅使用一個，這極大地減少了功率變換器的成本。這樣，整個SR電動機調(diào)速系統(tǒng)的成本在交流調(diào)速領(lǐng)域有很強的競爭力。（2）可控參量多，調(diào)速性能較好。開關(guān)磁阻電動機的主要參控方法有控制開通角、關(guān)斷角，控制相電流幅值和控制相繞組電壓等多種。SR電機各相之間無互感，而且每相電流的導(dǎo)通、關(guān)斷和電流大小皆可獨立控制，這讓其性能與直流電機調(diào)速系統(tǒng)相近，可以在四象限運行，能實現(xiàn)特定要求的調(diào)速控制。由于SR電動機的驅(qū)動系統(tǒng)的控制器是以微處理器為核心的，因而可以通過改變控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)電機的運行特性的改變，無需改變控制系統(tǒng)硬件，這是相對其他種類電機的顯著優(yōu)點，便于智能化。（3）效率高，工作可靠。SR電機在廣泛的轉(zhuǎn)速、功率范圍內(nèi)皆具有高效率。此外，簡單可靠的功率電路的使用，避免了直通短路現(xiàn)象，這樣可以簡化功率電路的保護電路，減低成本的同時，極大的提高了整個SRD系統(tǒng)的可靠性，降低了運行維護所需的人力物力，提高了市場競爭力。 （4）適用范圍廣。SR電機的功率范圍很廣，能從幾瓦到數(shù)兆瓦，而且能適用與頻繁起停和正反轉(zhuǎn)速運行的機械系統(tǒng)，在各種惡劣環(huán)境下的可靠性都很高，在電動車、航空工業(yè)以及一些精密的伺服系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。當然，SRD系統(tǒng)也存在一些不足，如存在轉(zhuǎn)矩脈動、震動和噪聲較大以及出線較多，需要不斷的改善。31.3國內(nèi)外SR電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3.1SR電動機的發(fā)展概況SR電機的淵源可以19世紀40年代，當時有科學家利用兩個U型電磁鐵制造了電動車，由蓄電池供電，但受限于當時的機械開關(guān)控制性能較差，電動機的性能不高。進入20世紀，隨著大功率晶閘管的問世，SR電機的研究進入了新紀元。從1967年起，英國Leeds大學開始了對SR電機的深入研究。這項研究表明SR電機相對于同容量的其他感應(yīng)電機，在單向電流下四象限運行時，其功率變換器所用的開關(guān)數(shù)是最少的，結(jié)構(gòu)簡便，成本也低。這些優(yōu)勢為SR電機的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。20世紀70年代，美國福特公司研制出了具有電動機運行狀態(tài)和寬廣調(diào)速范圍的SR電動機調(diào)速系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到了利用蓄電池供電的電動車輛上。1983年英國的TASC公司推出第一代通用的SR電機調(diào)速產(chǎn)品，此后，國外電氣傳動領(lǐng)域紛紛推出了其商品化的磁阻電機產(chǎn)品。其功率從10w到50MW，轉(zhuǎn)速范圍從10rpm到100000rpm，轉(zhuǎn)矩范圍從0.1Nm到1000000Nm，而系統(tǒng)功率變換電路所采用的開關(guān)元件有GTO、MOSEF、IGBT等，控制更加靈活、準確，控制器所采用的微處理器有8位機、16位機一直到32位機，功能愈加完善極大的擴大了SR電機的應(yīng)用范圍。其中比較典型的有英國SRDLtd公司推出的第二代SR電機，其功率和轉(zhuǎn)速范圍相對于TASC的Oulton系列產(chǎn)品有了顯著的提高。此外，英國ALLENWEST公司、BJD公司、加拿大semifusion公司等都分別制造出了一系列生產(chǎn)實踐性能很好的產(chǎn)品。17 我國從20世紀80年代初開始進行SRD的研究，經(jīng)過十幾年的努力，許多高等學校和科研院、所在SRD研制、開發(fā)領(lǐng)域辛勤耕耘，起步雖然較晚，但在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上發(fā)展速度很快，目前已經(jīng)研制出多種性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于煤礦的采煤機、地鐵汽車牽引、龍門刨床、抽絲機、高檔洗衣機等，解決了許多傳統(tǒng)電機調(diào)速系統(tǒng)難以解決的技術(shù)難題。1.3.2SRD系統(tǒng)概述SRD系統(tǒng)是上世紀80年代時期發(fā)展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如下：電源功率變換器SR電動機外接負載位置檢測電流檢測控制信號控制器在這個控制系統(tǒng)中，SR電動機實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。SRD系統(tǒng)的發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)和微控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上的。早期的SR電動機主開關(guān)器件主要用SCR。但是SCR沒有自關(guān)斷功能，這使得強迫關(guān)斷的電路控制復(fù)雜且開關(guān)速度較慢，此外成本也較高，顯然，這樣的功率變換器控制性能是不理想的。GTR和GTO都屬于電流控制型器件，GTO開關(guān)頻率不高且門極控制較復(fù)雜，而GTR得驅(qū)動電路消耗功率較大。MOSFET相對工作頻率更高，開關(guān)速度較快，適合小功率、低壓的SR電動機的功率變換器的開關(guān)器件。IGBT兼具GTR飽和壓降低和MOSFET控制端輸入阻抗高的優(yōu)勢，驅(qū)動電路簡單且工作頻率較高，是較理想的中、小型SR電動機的功率變換器的主開關(guān)元件。而對高壓、大功率的SR電動機，可選擇MCT做主開關(guān)元件。MCT是晶閘管和MOSFET的復(fù)合元件，具有工作頻率高，電流密度大，易驅(qū)動，易控制等優(yōu)點。本次設(shè)計的主電路采用IGBT為主開關(guān)元件。11.3.3SR電機的未來研究方向SRD系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，性能愈加完善，未來的研究工作主要集中在以下幾個方面：（1）無位置傳感器的SRD系統(tǒng)。位置檢測器是SR電機的必備元件，但是它的使用使得結(jié)構(gòu)簡單的SR電機變得復(fù)雜，降低了運轉(zhuǎn)的可靠性，因而探索實用的無位置傳感器的檢測方案是當前備受注目的課題。目前研究較多的是通過采集定子繞組的瞬態(tài)的電感信息，進而實現(xiàn)無位置檢測器控制方案，但實際應(yīng)用還任重而道遠。（2）振動和噪聲的控制。SR電機采用的是脈沖供電，使得電機具有一定的瞬時轉(zhuǎn)矩波動，特別是在低轉(zhuǎn)速時步進狀態(tài)明顯，振動和噪聲都較大。此外高速、重載時振動和噪聲也較大。怎樣通過電機設(shè)計和控制策略的優(yōu)化，有效地抑制轉(zhuǎn)矩波動和噪聲，使SRD系統(tǒng)具有低速平穩(wěn)運行且有靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力，這是需要進一步研究的。（3）綜合智能應(yīng)用。隨著現(xiàn)代微控技術(shù)的發(fā)展，ASIC和高性能的DSP都開始得到了從分的利用，怎樣利用日趨先進的微控技術(shù)，實現(xiàn)具有動態(tài)性能高、抗干擾能力強、智能化程度高的高智能化的SRD系統(tǒng)控制是近期研究的熱點。3171.4課題研究的主要內(nèi)容及意義 隨著社會的快速發(fā)展，電動機調(diào)速系統(tǒng)中在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位，它的使用滲透到了社會各行各業(yè)。老式的磁阻電機效率、功率因數(shù)和功率密度都很低，因而適用領(lǐng)域受到了很大的限制。于是，將磁阻電機與電子器件相結(jié)合的開關(guān)磁阻電機應(yīng)運而生。SRD作為新興的機電一體化調(diào)速系統(tǒng)，具有很多傳統(tǒng)電機調(diào)速系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢。因此，研究出實用性強、性價比高、動態(tài)性能好和抗干擾能力強的SRD系統(tǒng)對社會發(fā)展具有重要意義。 本設(shè)計的主要是利用80C196KC為核心設(shè)計出通用化、標準化、智能化的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)，因而在相應(yīng)開關(guān)器件的選擇如何做到性價比最高，單片機控制策略的實現(xiàn)以及相應(yīng)控制程序的設(shè)計以及電路原理圖的設(shè)計是本次畢業(yè)設(shè)計的難點。第2章 SR電機的數(shù)學建模及控制策略分析2.1引言 SR電機的結(jié)構(gòu)比較簡單，但由于定子采用雙凸極結(jié)構(gòu)，繞組電流是非線性的，此外，由于磁路的飽和、渦流和磁滯效應(yīng)皆會產(chǎn)生非線性，這樣，就造成定子繞組的磁通、電流波形不規(guī)則，難以用傳統(tǒng)的分析方法進行分析計算。但是，電機內(nèi)部的電磁過程仍然是建立在基本的電磁定律上的，可據(jù)此求得SR電機的基本方程式。常見的求解方法有線性模型、準線性模型、和非線性模型。對于非線性模型，雖可建立一個非常精確的數(shù)學模型，但磁路的飽和渦流的計算非常繁瑣，工程實際意義卻并不大。因此，我們在這里采用線性模型，雖然精度較低，但亦可清楚的表示出電機的基本特性與各種參量之間的關(guān)系，可作為探討控制方法的依據(jù) 。2.2 SR電機的基本方程 對于一個m相的SR電機，在忽略鐵心損耗，且假定各相的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對稱，這樣，SR電機可看成具有一個機械端口和m對電端口的電氣裝置。據(jù)此，可得到各種基本方程如下：2.1.1電壓方程據(jù)基本的電路定律可知，SR電機某相（k相）的電壓平衡方程： uk = Rkik+ .（2-1）在此式中：uk 第k相繞組端電壓； Rk 第k相繞組電阻； ik第k相繞組電流； 第k相繞組的磁鏈。2.2.2 磁鏈方程 SR電機中某相繞組的磁鏈是該相電流與自感、其余相電流及互感和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，但各相之間的互感相對自感小得多，簡便起見，SR電機的計算中一般省略互感，磁鏈方程為： =Lk（k，ik）ik. (2-2) 式中，每相電感Lk是該相電流 ik與轉(zhuǎn)子位置角 k的函數(shù)，將該式帶入式（2-1）中可得： .(2-3)從上式中可看出，電源電壓與三部分壓降相等。第一項是電阻壓降；第二項是電流變化而感應(yīng)的電動勢，又稱變壓器電動勢；第三部分是轉(zhuǎn)子位置改變引起的磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，即運動電動勢。2.2.3機械運動方程 SR電動機運行時，在電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子的機械運動方程如下： . (2-4) 在上式中，表示電磁轉(zhuǎn)矩，J表示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，表示摩擦系數(shù)，表示負載轉(zhuǎn)矩。2.2.4轉(zhuǎn)矩公式SR電動機的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式求得： . (2-5)在上式中，表示繞組的磁共能。 上述SR電動機的數(shù)學模型完整、準確地描述了其電磁和力學關(guān)系，但是由于電路與磁路的非線性因素，準確計算的工作量很大且計算非常困難。2.3SR電動機的理想線性模型分析2.3.1SR電動機的理想線性模型由上節(jié)易知，SR電機的非線性模型的計算是非常困難的，本次設(shè)計需要我們掌握SR電動機內(nèi)部的基本電磁關(guān)系及基本特性，不需復(fù)雜的精確計算，故我們可對理想的線性模型進行研究。理想的線性模型需要作如下假設(shè)：（1）忽略電流大小對繞組電感的影響，忽略磁路的飽和影響；（2）半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)動作是瞬時的，即導(dǎo)通和關(guān)斷時壓降皆為零；（3）主電路電源的直流電壓(士Us)恒定；（4）忽略磁通的邊緣效應(yīng)，忽略所有的功耗；（5）電動機的轉(zhuǎn)速恒定。 滿足以上假設(shè)條件的電機模型就是理想的線性模型，電機相繞組電感L隨著轉(zhuǎn)子的位置角呈周期變化，如下圖2-1所示：LmaxL（）LminOu23a45 圖2-1相繞組電感曲線 如上圖2-1中所示，以定子極軸線和轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置為基準點，即坐標原點，以轉(zhuǎn)子位置角為橫坐標。=u=0時，相電感最小，為Lmin;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個極距角（/Nr）時，定子的磁極軸線與轉(zhuǎn)子的凸極中心對齊，此時相電感達到最大值，為Lmax。這樣，隨著定子和轉(zhuǎn)子的不斷重疊和分離，相電感在最小值和最大值之間線性地上升和下降，變化周期為轉(zhuǎn)子極距r，正比于轉(zhuǎn)子極數(shù)。 在圖2-1中，u為定子和轉(zhuǎn)子不對齊的位置；2為轉(zhuǎn)子凸極剛開始與定子磁極發(fā)生重疊的位置；3為轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極的臨界重疊位置；a位置的電感最大；4為轉(zhuǎn)子凸極剛要與定子磁極脫離完全重疊的位置；5轉(zhuǎn)子凸極剛好與定子磁極完全脫離。這樣，可得到SR電動機的相繞組電感與轉(zhuǎn)子的位置角關(guān)系如下： u2時，L（）=Lmin； 23時，L（）=Lmin+k（-2）； 34時，L（）=Lmax；45時，L（）=Lmax-k（-4）；在上式中，k=（Lmax- Lmin）/(3-2) =（Lmax- Lmin）/s。s為定子磁極極弧。2.3.2相繞組磁鏈方程 SR電動機其中一相繞組的由恒定直流電源Us供電，這一相電路的電壓方程為： Us = iR+在上式中，+、-分別對應(yīng)于繞組通電期與電源關(guān)斷后繞組的續(xù)流期。由于是理想的線性模型，忽略所有功耗，故上式可以簡化為： .（2-6）式中，=表示轉(zhuǎn)子的角速度。 在開關(guān)合閘瞬間，此時，0=0；=on，on為定子繞組電源接通時轉(zhuǎn)子與定子的相對位置角，即為開通角，則由式2-6可知通電段的磁鏈表達式為：. (2-7) 當=off時，電源關(guān)斷，off為關(guān)斷角，此時磁鏈達到最大值： . (2-8)上式中，op=off-on,表示一相繞組的開通角。 而根據(jù)是2-6Us取-時，可得到續(xù)流期間的磁鏈為; . (2-9)這樣，就可得出SR電動機理想線性模型下磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如下圖2-2所示：maxOonoff2off-onoff-onoff-on 圖2-22.3.3相繞組的電流方程 將式2-6改寫成如下形式： . (2-10) 在轉(zhuǎn)速、電壓一定時，繞組的電流只與轉(zhuǎn)子位置角和初始條件有關(guān)，下面分段進行研究分析：在u2時，L=Lmin，初始條件為i（on）=0,解得： . (2-11) 此段區(qū)域內(nèi)，電感恒為，電流直線上升。在2off時，L（）=Lmin+k（-2）；根據(jù)電壓方程并代入初始條件可求出： . (2-12)對應(yīng)的電流變化率：. (2-13) 由上式易得，當on2-Lmin/k時，di/d2-Lmin/k時，di/d0，則電流將繼續(xù)上升。不同的on可以形成不同的相電流波形。（3）在off3區(qū)域內(nèi)，主開關(guān)元件關(guān)斷，繞組進入續(xù)流期。此時，電流的解析式如下： . (2-14)(4) 在34區(qū)域內(nèi)，電流解析式如下： . (2-15)(5)在42off on5區(qū)域內(nèi)，電流解析式為： . (2-16) 這樣，以上各式構(gòu)成了一個完整的電流解析式，它是電源電壓、電機幾何尺寸、電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。在電壓和轉(zhuǎn)速恒定的時，電流波形與開通角on、關(guān)斷角off、最小電感Lmin、最大電感Lmax以及定子極弧s有關(guān)。 由此可看出，主開關(guān)開通角on在控制電流大小方面作用明顯。當on減小時，電流峰值和電流波形的波寬將增大；主開關(guān)關(guān)斷角off對電流波形寬度有影響，off增大時，電流波形變寬，但它對電流峰值沒影響；此外，電流大小與直流供電電壓成正比，與電機的轉(zhuǎn)速成反比，啟動時常采用電流斬波控制進行限流。這些，都是電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的原理基礎(chǔ)。2.3.4 電磁轉(zhuǎn)矩電機的電磁轉(zhuǎn)矩也是分段的，假定電機的磁路不飽和，根據(jù)電感的分段解析式可得電磁轉(zhuǎn)矩的解析式分列如下：u2時，Te=0； 23時，Te =1/2Ki2； 34時，Te =0；45時，Te =-1/2Ki2。 從上式中易看出，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比。在電感曲線上升的階段，繞組電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩；在電感曲線下降的階段，繞組電流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，這也是關(guān)斷角的選取需要顧及的地方，一般取電感上升區(qū)域的中間位置。2.4SR電機的控制策略2.4.1SR電機的基本運行特性SR電動機在給定外施電壓Us且開通角on、關(guān)斷角off固定時，電動機的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系與直流電動機的串勵特性類似。但在轉(zhuǎn)速較低時，電流。轉(zhuǎn)矩都有極限值，其基本的機械特性如下圖2-3所示：TO恒轉(zhuǎn)矩區(qū)恒功率區(qū)串勵特性區(qū)CCC方式APC方式c固定12 圖2-3SR電動機基本機械特性（1）恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。對于給定的SR電動機，它在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)能達到的最大轉(zhuǎn)速為1，此時，SR電動機的功率也是最大的，1稱為第一臨界轉(zhuǎn)速。在低速運行時，由于電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩Tav與相電流的平方成正比，為了獲得恒轉(zhuǎn)矩特性，限制電流不超過允許值，常采用電流斬波控制，即CCC（Chopped Current Control）控制。CCC控制的方法是固定開通角on、關(guān)斷角off，通過斬波控制外施電壓。CCC控制分為啟動斬波模式、定角度斬波模式與變角度斬波模式三種。啟動斬波模式在SR電動機啟動時采用，通常固定on、off，導(dǎo)通角op取一個較大的值，以便在得到大的啟動轉(zhuǎn)矩的同時又能限制相電流峰值；定角度斬波模式常在電機啟動后低速運行時采用，op不變但相對較小；變角度斬波模式通常在電機中速運行是采用。CCC控制通常有以下幾種方法實現(xiàn)斬波：限制電流上、下幅值；電流上限和關(guān)斷時間給定；PWM斬波調(diào)壓控制。本次設(shè)計采用電流上限和關(guān)斷時間給定的方法，即將相電流i與給定電流Imax比較，當iImax時，控制功率開關(guān)關(guān)斷一段時間，一個周期內(nèi)的關(guān)斷時間是恒定的。這種控制方式最大的優(yōu)點是簡單容易實現(xiàn)，但對關(guān)斷時間的選取要適宜，以防止“過斬”或斬波頻率過高。（2）恒功率區(qū)。在恒功率區(qū)，保持外施條件不變時，增大時，Tav將隨著2下降。在第一臨界速度以上1、第二臨界速度2以下，為獲得恒功率特性，采用角度位置控制，即APC(Angular Position Control)控制，保持外施電壓不變，調(diào)節(jié)開通角on和關(guān)斷角off，常采用固定關(guān)斷角off、改變開通角on的控制方式。一般選offa,且op/2。（3）串勵特性區(qū)。當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，可控條件達到極限，轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速的平方下降，此時，SR電動機呈串勵特性。 在SR電動機控制方式實際運用時，一般低速時采用CCC控制，高速時采用APC控制，在中速時采用CCC控制和APC控制方式結(jié)合來進行控制。這種組合控制方式提高了電動機的控制性能。12.4.2SR電動機的起動 SR電動機啟動時有兩種起動方式，即一相通電起動和兩相通電起動。本次設(shè)計所采用的是四相8/6極SR電動機，采用兩相起動方式。相對于一相起動方式，兩相起動增大了電動機的啟動轉(zhuǎn)矩，消除了起動死區(qū)，同時兩相起動的轉(zhuǎn)矩脈動減小，起動所需的電流幅值也更低。2.4.3SR電動機運行控制（1）正反轉(zhuǎn)控制 SR電機的運行需兩個條件：一是使轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，二是有相應(yīng)相序的控制信號。由前面2.3節(jié)的分析易知，每相繞組的通電區(qū)域由開通角on和關(guān)斷角off所在區(qū)段來決定。若通電區(qū)段位于0的區(qū)段，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩；若通電區(qū)段位于UAC即