1、特種電機及其控制特種電機及其控制2.1 SRM 傳動系統傳動系統2.2 SRM 基本方程與性能分析基本方程與性能分析2.3 SRD的的 控制原理控制原理2.4 SRD 的功率變換器的功率變換器2.5 SRD 傳動系統的信號檢測傳動系統的信號檢測2.6 基于基于DSP的的SRD控制系統硬件控制系統硬件2.7 基于基于DSP的的SRD控制系統軟件控制系統軟件2.8 SRM電磁計算電磁計算2.9 開關磁阻發電機開關磁阻發電機特種電機及其控制特種電機及其控制 位位置置檢檢測測 功功率率變變換換器器 SR電電動動機機 電電流流檢檢測測 控控制制信信號號 控控制制器器 電電 源源 負負 載載 特種電機及其

2、控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制1、雙凸極結、雙凸極結構構2、定子集中、定子集中繞組，單方繞組，單方向通電向通電 3、轉子無繞、轉子無繞組組特種電機及其控制特種電機及其控制磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心磁通總要沿著磁阻最小路徑閉合，一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主在移動到最小磁阻位置時，必定使自己的軸線與主磁場的軸線重合磁場的軸線重合特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制)22kNNkmNsrs1 1、為了避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以、為了

3、避免單邊磁拉力，徑向必須對稱，所以雙凸極的雙凸極的定子和轉子齒槽數應為偶數。定子和轉子齒槽數應為偶數。2 2、定子和轉子齒槽數不相等，但應盡量接近。、定子和轉子齒槽數不相等，但應盡量接近。因為當定子和轉子齒槽數相近時，就可能加大定因為當定子和轉子齒槽數相近時，就可能加大定子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電子相繞組電感隨轉角的平均變化率，這是提高電機出力的重要因素。機出力的重要因素。特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制 相數相數 3 4 5 6 7 8 9定子極數定子極數 6 8 10 12 14 16 18轉子極數轉子極數 4 6 8 10 12 14 16

4、步進角步進角(度度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5 SR電機常用方案電機常用方案相數越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常相數越大，轉矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有人在研究兩相、單相用三相、四相，還有人在研究兩相、單相SRM低于三相的低于三相的SRM 沒有自起動能力沒有自起動能力特種電機及其控制特種電機及其控制 PM PM 特種電機及其控制特種電機及其控制常規兩相SR 電動機 定子磁極偏移的兩相SR 電動機 在定、轉子磁極中心線對齊位置在定、轉子磁極中心線對齊位置(對對齊位置齊位置)和定子極中心與轉子槽中心和定子極中心與轉子槽中心對齊位置對齊位置(不對齊位置不對

5、齊位置)也不具備自也不具備自起動能力，而且還存在較大的轉矩起動能力，而且還存在較大的轉矩“死區死區”為了可靠地自起動，兩相為了可靠地自起動，兩相SR 電動電動機可采用不對稱轉子結構或不對機可采用不對稱轉子結構或不對稱定子結構。稱定子結構。特種電機及其控制特種電機及其控制轉子不對稱兩相轉子不對稱兩相SR電機電機特種電機及其控制特種電機及其控制常見三相和四相常見三相和四相SR電機電機特種電機及其控制特種電機及其控制1)1)電動機結構簡單、成本低、適用于高速電動機結構簡單、成本低、適用于高速, , 開關磁阻電動機的結構比通常認為最簡開關磁阻電動機的結構比通常認為最簡單的鼠籠式感應電動機還要簡單。單的

6、鼠籠式感應電動機還要簡單。2)2)功率電路簡單可靠功率電路簡單可靠 因為電動機轉矩方向因為電動機轉矩方向與繞組電流方向無關，即只需單方向繞與繞組電流方向無關，即只需單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關。功率開關。特種電機及其控制特種電機及其控制3)3)各相獨立工作，可構成極高可靠性系統各相獨立工作，可構成極高可靠性系統 從從電動機的電磁結構上看，各相繞組和磁路相電動機的電磁結構上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內產生電磁轉互獨立，各自在一定軸角范圍內產生電磁轉矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞組矩。而不像在一般電動機中必須在各相繞

7、組和磁路共同作用下產生一個圓形旋轉磁場，和磁路共同作用下產生一個圓形旋轉磁場，電動機才能正常運轉。電動機才能正常運轉。4)4)高起動轉矩，低起動電流高起動轉矩，低起動電流 控制器從電源側控制器從電源側吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動吸收較少的電流，在電機側得到較大的起動轉矩是本系統的一大特點。轉矩是本系統的一大特點。 （SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）特種電機及其控制特種電機及其控制5)5)適用于頻繁起停及正反向轉運行適用于頻繁起停及正反向轉運行 SRDSRD系統具有的高起動轉矩，低起動電流系統具有的高起動轉矩，低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊的特點

8、，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機和控制器發熱較連續額定小，電動機和控制器發熱較連續額定運行時還小。運行時還小。6)6)可控參數多，調速性能好可控參數多，調速性能好 控制開關控制開關磁阻電動機的主要運行參數和常用方磁阻電動機的主要運行參數和常用方法至少有四種法至少有四種: :相開通角相開通角, ,相關斷角相關斷角, , 相電流幅值相電流幅值, ,相繞組電壓。相繞組電壓。特種電機及其控制特種電機及其控制7)7)效率高，損耗小效率高，損耗小 SRDSRD系統是一種系統是一種非常高效的調速系統。非常高效的調速系統。8)8)可通過機和電的統一協調設計滿可通過機和電的統一協調設計滿足各種特殊使用要求足

9、各種特殊使用要求 。9)9)缺點：轉矩脈動、振動、噪聲，缺點：轉矩脈動、振動、噪聲， 但可通過特殊設計克服但可通過特殊設計克服特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制航空工業航空工業 ：F-16戰斗機，戰斗機，SR起動起動/發電機系統，技發電機系統，技術指標為：術指標為：013400r/min 恒轉矩恒轉矩177N m起動，起動，1340026000r/min恒電壓恒電壓270VDC、3 125kW發電，發電，系統效率為系統效率為90，功率，功率/重量比為重量比為2.5kW/kg。F-35工業節能：工業節能：SR電動機良好的起動性能使它特別適合于需電動機良好的起動性能使

10、它特別適合于需要起動轉矩大、低速性能好、頻繁正反轉等場合，如在龍門刨要起動轉矩大、低速性能好、頻繁正反轉等場合，如在龍門刨床、平網印花機、可逆軋機等應用中都取得了良好的效果。同床、平網印花機、可逆軋機等應用中都取得了良好的效果。同時，在采煤機械、油田抽油機等領域有很好的應用前景，特別時，在采煤機械、油田抽油機等領域有很好的應用前景，特別是應用于抽油機替代異步電動機，可取得是應用于抽油機替代異步電動機，可取得1030以上的節電以上的節電效果。效果。 電動車電動車電動車驅動的最佳選擇之一電動車驅動的最佳選擇之一 ，采用和大力發展該方采用和大力發展該方案的公司有奔馳公司、沃爾沃公司、菲壓特公司、通用

11、汽車公司等。案的公司有奔馳公司、沃爾沃公司、菲壓特公司、通用汽車公司等。如，在如，在2010 年年9 月的巴黎車展上，捷豹推出了使用開關磁阻電機和微月的巴黎車展上，捷豹推出了使用開關磁阻電機和微燃機技術的燃機技術的C-X75 插電增程式超跑概念車。插電增程式超跑概念車。 特種電機及其控制特種電機及其控制vSR電機設計研究：電機設計研究：鐵心損耗計算、轉矩脈動、噪聲、優化設計等理論鐵心損耗計算、轉矩脈動、噪聲、優化設計等理論vSR電機的控制策略研究電機的控制策略研究(DITC、TSF、ANN)最優控制，減小轉矩脈動、降低噪聲最優控制，減小轉矩脈動、降低噪聲具有較高動態性能、算法簡單、可抑制參數變

12、化、擾動及具有較高動態性能、算法簡單、可抑制參數變化、擾動及各種不確定性干擾的新型控制策略各種不確定性干擾的新型控制策略智能控制策略智能控制策略vSR電機的無位置傳感器控制電機的無位置傳感器控制vSR電機的振動、噪聲研究電機的振動、噪聲研究v無軸承無軸承SR電機研究（磁懸浮）電機研究（磁懸浮）vSR電機應用研究：電動車、發電機、一體化電機等電機應用研究：電動車、發電機、一體化電機等特種電機及其控制特種電機及其控制 J轉子與負載的轉動慣量轉子與負載的轉動慣量 K 粘性摩擦系數粘性摩擦系數 TL負載轉矩負載轉矩 Te K J TL R1 d 1/dtt1 u1 + - . . . Rm d m/d

13、t um + - 耦合磁場耦合磁場 i1 im 不計磁滯、渦流及繞組間互感時，不計磁滯、渦流及繞組間互感時，m相相SR電電機系統示意圖機系統示意圖 特種電機及其控制特種電機及其控制第第k相繞組的相電壓平衡方程相繞組的相電壓平衡方程:dtdiRukkkk式中式中 uk第第k相繞組的端電壓；相繞組的端電壓；ik 第第k相繞組的電流；相繞組的電流；Rk第第k相繞組的電阻；相繞組的電阻； k第第k相繞組的磁鏈。相繞組的磁鏈。特種電機及其控制特種電機及其控制所以：所以：電阻壓降電阻壓降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkiiL),(繞組電感繞組電

14、感特種電機及其控制特種電機及其控制LeTdtdKdtdJT22特種電機及其控制特種電機及其控制diiWi0m),(),(miWTediTmNTrNerav/20),(2-iWm特種電機及其控制特種電機及其控制 不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，不計磁路飽和，假定繞組電感與電流無關，此時電感只與轉子位置有關此時電感只與轉子位置有關 1 0 2 3 0 4 5 SR電機相電感隨轉子位置變化電機相電感隨轉子位置變化特種電機及其控制特種電機及其控制stator = 1位置位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 1特種電機及其控制特種電機及其控制stato

15、r =0o位置位置rotor定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合 =0o特種電機及其控制特種電機及其控制stator = 2位置位置rotor轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 2特種電機及其控制特種電機及其控制stator = 3位置位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置rotor 3特種電機及其控制特種電機及其控制stator = 4位置位置rotor轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置 4特種電機及其控制特種電機及其控制stator = 5位置位置rotor轉子凹槽

16、前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 5特種電機及其控制特種電機及其控制 1 0 2 3 0 4 5 =0 定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合定子磁極軸線與轉子凹槽中心重合 1( 5) 轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子凹槽前沿與定子磁極前沿相遇位置 2 轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿相遇位置 3 轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置轉子磁極前沿與定子磁極前沿重合位置 4 轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置轉子凹槽前沿與定子磁極后沿重合位置特種電機及其控制特種電機及其控制SR電機繞組電感的分段線性解析式：電機繞組電感的分段線性解析式：-544

17、max43max32min221min)()()(KLLLKLLK=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/sLmin為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感為定子磁極軸線對轉子凹槽中心時的電感, Lmax定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感定子磁極軸線對轉子磁極軸線的電感 。特種電機及其控制特種電機及其控制相電流解析分析相電流解析分析-zonzoffsoffonsUU,0uk特種電機及其控制特種電機及其控制忽略電阻，相繞組電壓方程：忽略電阻，相繞組電壓方程：而：而： =L idtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd相電流解析分析相電流解析分析sdidLULidtds

18、UdidLLidd特種電機及其控制特種電機及其控制minsUdiLdmin( )sonUiL -特種電機及其控制特種電機及其控制min2()sUCLKi-min2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKdd-特種電機及其控制特種電機及其控制min2()( )()sonUiLK-特種電機及其控制特種電機及其控制min2(2)( )()soffonUiLK-max(2)( )soffonUiL-max4(2)( )()soffonUiLK-特種電機及其控制特種電機及其控制12min2min23min234max45max4()()(

19、2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULKUiLKULULK-開通角開通角關關斷斷角角特種電機及其控制特種電機及其控制 on 2 :電感上升，使繞組電感上升，使繞組電流下降電流下降 off 3 : 在電感達最大之前，繞組在電感達最大之前，繞組關斷，繞組續流。關斷，繞組續流。 3 z 4)，繞組電流將產生制動，繞組電流將產生制動轉矩，因此，主開關的關斷不能太遲。但關斷過早轉矩，因此，主開關的關斷不能太遲。但關斷過早也會由于電流有效值不夠而導致轉矩減小，且在最也會由于電流有效值不夠而導致轉矩減小，且在最大電感期間，繞組也不產生轉矩，因此取關斷

20、角大電感期間，繞組也不產生轉矩，因此取關斷角 off =( 2+ 3)/2，即電感上升區的中間位置，是比較好的，即電感上升區的中間位置，是比較好的選擇。選擇。 特種電機及其控制特種電機及其控制結構一定，在結構一定，在onon和和offoff不變時，不變時，繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速繞組電流隨外加電壓的增大而增大，隨轉速的升高而減小；通過調整開關角和關斷角也的升高而減小；通過調整開關角和關斷角也可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機可以影響繞組電流，從而就間接地使電動機的電磁轉矩增大。的電磁轉矩增大。 ：外加電源電壓外加電源電壓U Us s、角、角速度速度 、開通角、開通角onon、

21、關斷角、關斷角offoff、最大電、最大電感感Lmaxmax、最小電感、最小電感Lminmin、定子極弧、定子極弧s s等。等。 線性模型忽略了許多因素，計算結果誤差很線性模型忽略了許多因素，計算結果誤差很大，只能定性地說明影響電流、轉矩的因素。大，只能定性地說明影響電流、轉矩的因素。特種電機及其控制特種電機及其控制為避免繁瑣計算，又近似考慮磁路的飽和效應，常為避免繁瑣計算，又近似考慮磁路的飽和效應，常借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，借助準線性模型：將實際非線性磁化曲線分段線性，且不考慮磁耦合且不考慮磁耦合一段為飽和段，視為與一段為飽和段，視為與 =0的位置的的位置的磁化曲線平行

22、磁化曲線平行,斜率為斜率為Lmin；一段為非飽和段，為；一段為非飽和段，為L( ,i)的的 不飽和段。不飽和段。2.2.3準線性模型分析準線性模型分析實際磁化曲線實際磁化曲線分段線性磁化曲線分段線性磁化曲線i1特種電機及其控制特種電機及其控制準線性模型繞阻電感準線性模型繞阻電感L(i, ):特種電機及其控制特種電機及其控制 基于準線性模型，基于準線性模型，L(i, )是可解析的，可以是可解析的，可以分別求出繞阻磁鏈與磁共能的分段解析式，由分別求出繞阻磁鏈與磁共能的分段解析式，由此得到此得到SR電機的瞬時轉矩的分段解析式：電機的瞬時轉矩的分段解析式：特種電機及其控制特種電機及其控制)21)(2m

23、inmax2min2222LLLUNmToffonoffSrav-特種電機及其控制特種電機及其控制2.3 SR電機的控制原理電機的控制原理F為以電機結構參數為以電機結構參數(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)和和控制參數控制參數( on , off)為變量的函數為變量的函數/savUFT 整理得：整理得：對一定電機，結構參數一定。如對一定電機，結構參數一定。如Us、 on 、 off一定，則一定，則電機的固有機械特性電機的固有機械特性為：為：Tav=k/ 2 P=k/ 特種電機及其控制特種電機及其控制 恒轉矩區恒轉矩區 恒功率區恒功率區 串勵特性區串勵特性區 CCC 方式方式 APC 方式方

24、式 1 2 c固定固定 o T 特種電機及其控制特種電機及其控制SR電機的基速電機的基速vSR電機的固有機械特性類似與直流電機電機的固有機械特性類似與直流電機的串勵特性。的串勵特性。v對給定對給定SR電機，在最高電壓電機，在最高電壓Us和最大允和最大允許電流條件下，存在一個臨界角速度。即許電流條件下，存在一個臨界角速度。即SR電機得到最大轉矩的最高角速度，稱電機得到最大轉矩的最高角速度，稱為為特種電機及其控制特種電機及其控制SR電機控制策略：電機控制策略：可控量為：可控量為：Us、 on 、 off控制法控制法1：固定：固定 on , off，通過電流斬波限，通過電流斬波限制電流，得到恒轉矩制

25、電流，得到恒轉矩控制法控制法2：固定：固定 on , off，由速度設定值和，由速度設定值和實際值之差調制實際值之差調制Us，進而改變轉矩，進而改變轉矩*基速以上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，輸出恒功率，輸出恒功率特種電機及其控制特種電機及其控制 O i Imin Imax 特種電機及其控制特種電機及其控制 O i Imax 特種電機及其控制特種電機及其控制 O i 特種電機及其控制特種電機及其控制 O Te off on增增大大 特種電機及其控制特種電機及其控制0 0 Amin Cmaxn 2 1 電電流流斬斬波波可可控控區區 起起動動斬斬波波 定定角角度度斬斬波波 變變角

26、角度度斬斬波波 APC控控制制 可可變變角角度度運運行行區區 特種電機及其控制特種電機及其控制-onSLUimin)(HonSCILU-2minmax特種電機及其控制特種電機及其控制在角度控制方式下，繞組電流寬度相對較窄，往往在兩相脈在角度控制方式下，繞組電流寬度相對較窄，往往在兩相脈沖之間留有較寬的零轉矩區域，因此轉矩脈動較大；轉速越沖之間留有較寬的零轉矩區域，因此轉矩脈動較大；轉速越低，轉矩脈動越大。最嚴重的情況是：在負載轉矩的作用下，低，轉矩脈動越大。最嚴重的情況是：在負載轉矩的作用下，SR 電動機的轉速在一個步距角范圍內降為零，此時的速度電動機的轉速在一個步距角范圍內降為零，此時的速度

27、就是角度控制的最低限速就是角度控制的最低限速Amin 。根據能量守恒原理得。根據能量守恒原理得變角度運行的最變角度運行的最低限速低限速特種電機及其控制特種電機及其控制 A B C D D A B C D D Te 30 O 導導通通相相控控制制 60 Tstmin 特種電機及其控制特種電機及其控制 D A C AB BC CD DA Te 30 O 導導通通相相控控制制 60 B D 特種電機及其控制特種電機及其控制 on off 導導 通通 區區 正正 轉轉 on off 導導 通通 區區 反反 轉轉 O L O Te Te L,Te轉轉 L,Te轉轉 L 特種電機及其控制特種電機及其控制

28、L i L, , i O Te - -Te r/2 on r off 特種電機及其控制特種電機及其控制v功率變換器是直流電源和功率變換器是直流電源和SRM的接口，起的接口，起著將電能分配到著將電能分配到SRM繞組中的作用，同時繞組中的作用，同時接受控制器的控制。接受控制器的控制。 v由于由于SRM遵循遵循“最小磁阻原理最小磁阻原理”工作，因工作，因此只需要單極性供電的功率變換器。功率此只需要單極性供電的功率變換器。功率變換器應能迅速從電源接受電能，又能迅變換器應能迅速從電源接受電能，又能迅速向電源回饋能量。速向電源回饋能量。特種電機及其控制特種電機及其控制（1）較少數量的主開關元件；）較少數量

29、的主開關元件；（2）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；）可將全部電源電壓加給電動機相繞組；（3）主開關器件的電壓額定值與電動機接）主開關器件的電壓額定值與電動機接近；近；（4）具備迅速增加相繞組電流的能力；）具備迅速增加相繞組電流的能力；（5）可通過主開關器件調制，有效地控制）可通過主開關器件調制，有效地控制相電流；相電流；（6）能將能量回饋給電源。）能將能量回饋給電源。特種電機及其控制特種電機及其控制1、雙開關型、雙開關型每相有兩只主開關每相有兩只主開關和兩只續流二極管和兩只續流二極管。當兩只主開關當兩只主開關VTVT1 1和和VTVT2 2同時導通時，同時導通時，電源電源U US S 向電

30、機相向電機相繞組供電繞組供電 ；當當VTVT1 1和和VTVT2 2同時關斷時，同時關斷時，將電機的磁場儲能將電機的磁場儲能以電能形式迅速回以電能形式迅速回饋電源，實現強迫饋電源，實現強迫換相。換相。 。 + US - - VD1 VD2 VT1 VT2 特種電機及其控制特種電機及其控制雙開關型電路特點：雙開關型電路特點：1）適用于任意相數）適用于任意相數SR電機；電機；2 2）相控獨立性：獨立；）相控獨立性：獨立；3 3）相電壓電源電壓；）相電壓電源電壓；4 4）器件數量）器件數量: :多多 。特種電機及其控制特種電機及其控制 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5

31、 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 特種電機及其控制特種電機及其控制 2. 2. 雙繞組型電路雙繞組型電路主開關主開關S1S1導通時，導通時，電源對主繞組電源對主繞組A A供供電；電；當其關斷時，當其關斷時，靠磁耦合將主繞靠磁耦合將主繞組組A A的電流轉移到的電流轉移到副繞組，通過二副繞組，通過二極管極管D1D1續流，向續流，向電源回饋電能，電源回饋電能，實現強迫換相。實現強迫換相。早期使用的雙繞組結構，每相有主、早期使用的雙繞組結構，每相有主、副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，副兩個繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，其匝數比為同名端反接，其匝數比為1 1：1 1。

32、特種電機及其控制特種電機及其控制 缺點：缺點：1 1）由于主、副繞組之）由于主、副繞組之間不可能完全耦合，間不可能完全耦合，在在S1S1關斷的瞬間，因關斷的瞬間，因漏磁及漏感作用，其漏磁及漏感作用，其上會形成較高的尖峰上會形成較高的尖峰電壓，故電壓，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、副兩）由于采用主、副兩個繞組，因而電機槽個繞組，因而電機槽及銅線利用率低。銅及銅線利用率低。銅耗增加、體積增大。耗增加、體積增大。優點：優點：適用于任何相數的適用于任何相數的SRMSRM，尤其適宜于低壓直流電源供尤其適宜于低壓直流電源供電電場合場合特種電機及其控制特種電機及其

33、控制兩個相串聯的電容兩個相串聯的電容C1和和C2將電源電壓一分為二將電源電壓一分為二, ,構成中構成中點電位。每相只有一個主開關點電位。每相只有一個主開關S和一只續流二極管和一只續流二極管D。 當當S1導通時，上導通時，上側電容側電容C1對對A相相繞組放電，電源繞組放電，電源對對A相供電，經相供電，經下側電容下側電容C2構成構成回路；當回路；當S1關斷關斷時，時，A相電流經相電流經D1續流，向下側續流，向下側電容電容C2充電。充電。 特種電機及其控制特種電機及其控制1）只適用于偶數）只適用于偶數相相SR電機電機2）主開關數較少）主開關數較少3）相控獨立性：）相控獨立性：不獨立不獨立4）電源利用

34、率低，）電源利用率低，每相電壓為電源電每相電壓為電源電壓的壓的1/2。5）需限制中點電）需限制中點電位漂移位漂移特種電機及其控制特種電機及其控制比四相電容分壓型比四相電容分壓型功率變換器主電路功率變換器主電路少了兩個串聯的分少了兩個串聯的分壓電容，換相相的壓電容，換相相的磁能以電能形式一磁能以電能形式一部分回饋電源，另部分回饋電源，另一部分注入導通相一部分注入導通相繞組，引起中點電繞組，引起中點電位的較大浮動。位的較大浮動。它它要求每一瞬間必須要求每一瞬間必須上、下各有一相導上、下各有一相導通。通。特種電機及其控制特種電機及其控制1）只適用于）只適用于4的倍數相的倍數相SR電機電機2）主開關數

35、較少）主開關數較少3）相控獨立性：不獨立）相控獨立性：不獨立4）相繞組電壓浮動）相繞組電壓浮動可以實現零壓續流，可以實現零壓續流，提高系統的控制性能。提高系統的控制性能。H橋型電路為橋型電路為4相相SR電機最常電機最常用的主電路形式用的主電路形式特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制單管斬波方式，需增加一個公共開關單管斬波方式，需增加一個公共開關V0, PWM斬波由斬波由V0完成，完成，V1-V4只負責換相只負責換相.V0導通導通 V0關斷關斷AB兩相導通時工作情況兩相導通時工作情況特種電機及其控制特種電機及其控制主電路主電路續流續流特種電機及其控制特種電機及其控制斬

36、波：V1關斷，續流換相：V2關斷，V1導通換相：V1關斷，V2關斷特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制三相不對稱半橋型主電路三相不對稱半橋型主電路:由三相工頻交流電經全波整流后供電，其直流供電電壓的平由三相工頻交流電經全波整流后供電，其直流供電電壓的平均值為均值為513V。電解電容。電解電容C1 和和C2 對整流電路的輸出起到濾波作用，工業用電解電容的對整流電路的輸出起到濾波作用，工業用電解電容的耐壓通常為耐壓通常為450V 和和400V，需串聯使用。電阻，需串聯使用。電阻R2、R3 均壓電阻。均壓電阻。R1 為合閘時的限流為合閘時的限流電阻，防止合閘時浪涌電流對濾

37、波電容有過大的電流沖擊。當系統上電時，延時電路電阻，防止合閘時浪涌電流對濾波電容有過大的電流沖擊。當系統上電時，延時電路延時延時35s，直流母線電壓達到額定直流電壓的，直流母線電壓達到額定直流電壓的(6080)%后，使接觸器后，使接觸器KM 閉合，將閉合，將R1 從電路中切除。從電路中切除。VT 和和Rb 構成制動放電電路，當構成制動放電電路，當SR 電動機突然停車或制動運行時，電動機突然停車或制動運行時，電機繞組中儲存的能量向電源回饋，致使電容兩端的電壓升高，當直流母線電壓達到電機繞組中儲存的能量向電源回饋，致使電容兩端的電壓升高，當直流母線電壓達到一定限值時一定限值時(如如680Vdc)，

38、VT 開關管開通，將多余的能量通過電阻開關管開通，將多余的能量通過電阻Rb 消耗。消耗。特種電機及其控制特種電機及其控制器件選用耐壓：三相橋式整流電路輸出的直流電壓的最大值為耐壓：三相橋式整流電路輸出的直流電壓的最大值為USm=537V ，輸出電壓的平均值為，輸出電壓的平均值為US=1.35380V513V。考。考慮慮2 倍的安全余量，功率開關器件的耐壓應選倍的安全余量，功率開關器件的耐壓應選1200V級。級。考慮考慮23 倍的安全余量，整流橋選國產的三相全波整流橋倍的安全余量，整流橋選國產的三相全波整流橋MDS100-16 ，其耐壓為，其耐壓為1600V，電流定額為，電流定額為100A。整流

39、二極管的電流有整流二極管的電流有效值效值在過載在過載1.2 倍時，直倍時，直流側電流的有效值流側電流的有效值特種電機及其控制特種電機及其控制器件選用考慮安全裕量，選功率器件的電流定額考慮安全裕量，選功率器件的電流定額為為200A, 電壓定額為電壓定額為1200V。主開關器件選英飛凌公司生產的主開關器件選英飛凌公司生產的FF200R12KT3 雙單元雙單元IGBT 模塊。模塊。一相繞組的電路連接如圖示，每個雙一相繞組的電路連接如圖示，每個雙IGBT 模塊只使用其中一個模塊只使用其中一個IGBT 單元，單元，另一個另一個IGBT 單元的單元的G、E 極短接，當續極短接，當續流二極管使用。流二極管使

40、用。功率開關的電流峰值功率開關的電流峰值特種電機及其控制特種電機及其控制器件選用三相橋式整流電路中濾波電容需三相橋式整流電路中濾波電容需要供電的時間是整流輸出電壓的要供電的時間是整流輸出電壓的半個周期半個周期,即即電容提供的電流電容提供的電流濾波電容容量濾波電容容量設濾波電容輸出的電壓波動峰峰值為設濾波電容輸出的電壓波動峰峰值為Vr=40V，濾波電容選四只濾波電容選四只3300 F/400V 的電解電容兩串兩的電解電容兩串兩并。并。特種電機及其控制特種電機及其控制 14 15 5 4 6 2 3 1 9 AMP 過流保護電路過流保護電路 特種電機及其控制特種電機及其控制 15 6 2 3 1

41、9 4 5 14 10mEXB841 驅驅動動信信號號 4.7k 1/2W 過過流流保保護護輸輸出出 TLP521 或或等等效效 47 F 47 F ERA34-10 RG IGBT ICC 20V 0V 隔隔離離電電源源 絞絞線線 特種電機及其控制特種電機及其控制即插即用型驅動器即插即用型驅動器英飛凌公司的英飛凌公司的2ED300C17-S雙通道雙通道驅動器，每塊驅動板可驅動驅動器，每塊驅動板可驅動600V/1200V/1700V 全系列全系列IGBT兩兩個，其主要特點如下：個，其主要特點如下： 具有具有IGBT 短路、過流狀況監短路、過流狀況監測，故障時實現測，故障時實現“軟關斷軟關斷”；

42、 內部集成內部集成DC-DC 電源模塊，電源模塊，只需一路只需一路15V電源供電；電源供電； 峰值輸出電流可達峰值輸出電流可達30A， 15V 驅動電壓，驅動電壓， 信號延遲時間短，抗高頻干擾信號延遲時間短，抗高頻干擾能力強。能力強。特種電機及其控制特種電機及其控制2.5.1 靜止部分靜止部分運動部分運動部分特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制=0，S=1,P=1。導通: ABABCDACDBSP順時針順時針-1制動：制動：CD1特種電機及其控制特種電機及其控制=15，S=0,P=1 。導通: DAAB

43、CDACDBSP順時針順時針-21制動：制動：BC特種電機及其控制特種電機及其控制=30，S=0,P=0 。導通: DCABCDACDBSP順時針順時針-31制動：制動：AB特種電機及其控制特種電機及其控制=45，S=1,P=0 。導通: CBABCDACDBSP順時針順時針-41制動：制動：DA特種電機及其控制特種電機及其控制 =60，S=1,P=1 。導通: BA ABCDACDBSP順時針順時針-1(5)1制動：制動：CD特種電機及其控制特種電機及其控制 =0，S=1,P=0 。導通: ADABCDACDBSP逆時針逆時針-1制動：制動：BC特種電機及其控制特種電機及其控制 =15，S=

44、0,P=0 。導通: ABABCDACDBSP逆時針逆時針-2制動：制動：CD特種電機及其控制特種電機及其控制 =30，S=0,P=1 。導通: BCABCDACDBSP逆時針逆時針-3制動：制動：DA特種電機及其控制特種電機及其控制 =45，S=1,P=1 。導通: CDABCDACDBSP逆時針逆時針-4制動：制動：AB特種電機及其控制特種電機及其控制 =60，S=1,P=0 。導通: ADABCDACDBSP逆時針逆時針-5(1)制動：制動：BC特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制相位鎖定相位鎖定 Ui (fi) (fo) Ue U0 Ud (fo) 輸出信號

45、輸出信號 壓控振蕩器壓控振蕩器 相位比較器相位比較器 控制電壓控制電壓 低通濾波器低通濾波器 誤差電壓誤差電壓 輸入信號輸入信號 2.5.2角度檢測角度檢測1）硬件角度細分）硬件角度細分基于鎖相環（基于鎖相環（PLL）特種電機及其控制特種電機及其控制鎖相環的應用：如果輸入信號頻率如果輸入信號頻率fi 不等于不等于VCO 輸出信號頻率輸出信號頻率fo，而要求兩者保持一定的關系，例如比例關系或差值關系，則可以，而要求兩者保持一定的關系，例如比例關系或差值關系，則可以在外部加入一個運算器，以滿足不同工作的需要。如果在相位比較器在外部加入一個運算器，以滿足不同工作的需要。如果在相位比較器和壓控振蕩器之

46、間加一個和壓控振蕩器之間加一個N 分頻器，如圖示，則可完成倍頻功能，在分頻器，如圖示，則可完成倍頻功能，在壓控振蕩器輸出端獲得頻率為壓控振蕩器輸出端獲得頻率為fo=Nfi 的信號。的信號。fi 相位比較器相位比較器 低通濾波器低通濾波器 壓控振蕩器壓控振蕩器 分頻器分頻器( N) fo =Nfi 特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制12 級二進制計數器CD4040：當當CD4040的清零端為零時，在的清零端為零時，在時鐘脈沖下降沿作用下，作增量計數，時鐘脈沖下降沿作用下，作增量計數，Ql 是時鐘脈沖的是時鐘脈沖的2 分頻，分頻，Q2對對Ql 的輸出進行的輸出進行2

47、分頻，依此類推。分頻，依此類推。Q9（12腳）的分頻倍數是腳）的分頻倍數是29512特種電機及其控制特種電機及其控制R5 R4 C4 + R7 R6 C3 S +5V Q VIN 16 3 4 14 6 7 13 9 11 12 5 8 CD4046 CD4040 8 11 10 12 16 CD4046鎖相環，鎖相環， CD4040十二級二進制計數器十二級二進制計數器CD4040 分頻器，插在鎖分頻器，插在鎖相環的相環的VCO 輸出和比較輸出和比較器之間，當鎖相環鎖定器之間，當鎖相環鎖定時，計數器的輸出信號時，計數器的輸出信號頻率與鎖相環的輸入信頻率與鎖相環的輸入信號頻率相等，從而在計號頻率

48、相等，從而在計數器時鐘輸人端數器時鐘輸人端(即即VCO 的輸出端的輸出端)得到倍頻輸出得到倍頻輸出信號。當信號。當CD4040的清零的清零端為零時，在時鐘脈沖端為零時，在時鐘脈沖下降沿作用下，作增量下降沿作用下，作增量計數，計數，Ql 是時鐘脈沖的是時鐘脈沖的2 分頻，分頻，Q2對對Ql 的輸出進的輸出進行行2 分頻，依此類推。本分頻，依此類推。本電路的分頻倍數是電路的分頻倍數是29512特種電機及其控制特種電機及其控制采用高性能電機控制用微控制器為核心處理器，采用高性能電機控制用微控制器為核心處理器，利用其輸入捕獲功能對角度進行細分，利用其輸入捕獲功能對角度進行細分，輸入捕獲單元不僅可以自動

49、檢測輸入信號狀態輸入捕獲單元不僅可以自動檢測輸入信號狀態的變化，還可以自動記錄狀態變化發生的相對的變化，還可以自動記錄狀態變化發生的相對時刻。時刻。四相四相SR 電動機轉子位置傳感器發出的轉子位置電動機轉子位置傳感器發出的轉子位置信號信號S 和和P，經高速光電隔離后送到，經高速光電隔離后送到CAP1 和和CAP2。使捕獲單元工作在上升、下降沿方式，。使捕獲單元工作在上升、下降沿方式，S、P 信號每次電平變化都會引起捕獲中斷。在信號每次電平變化都會引起捕獲中斷。在捕獲單元的狀態寄存器中能讀到捕獲單元的狀態寄存器中能讀到S、P 信號的當信號的當前電平狀態及當前中斷是哪一路信號引起的，前電平狀態及當

50、前中斷是哪一路信號引起的，從時間寄存器中可以讀到每次中斷發生的時刻。從時間寄存器中可以讀到每次中斷發生的時刻。這樣，就可以得到相鄰兩次捕獲中斷期間標準這樣，就可以得到相鄰兩次捕獲中斷期間標準頻率的脈沖周期數。用這個標準頻率的脈沖周頻率的脈沖周期數。用這個標準頻率的脈沖周期數除以相鄰兩次捕獲中斷對應的轉子角位移，期數除以相鄰兩次捕獲中斷對應的轉子角位移，就得到每度對應的標準頻率脈沖數。就得到每度對應的標準頻率脈沖數。特種電機及其控制特種電機及其控制60nNfrp特種電機及其控制特種電機及其控制當輸入信號當輸入信號S 的狀態改變的狀態改變時，定時電容器時，定時電容器C1 在電在電壓為壓為UCC/2

51、 和和0 之間線性地之間線性地充電或放電，其中泵入電充電或放電，其中泵入電容器的平均電流為容器的平均電流為iav=C1Uccfin，而輸出電路，而輸出電路會非常精確地把這一電流會非常精確地把這一電流送入負載電阻送入負載電阻R1 中，這樣，中，這樣，濾波后的電流被積分電容濾波后的電流被積分電容C2 積分后得到的輸出電壓積分后得到的輸出電壓(即轉速反饋信號即轉速反饋信號)為為Uo=KiavR4=KC1R1Uccfin，其中為增益常數，典型其中為增益常數，典型值為。值為。特種電機及其控制特種電機及其控制cNTpmn160M法測速：法測速：測規定時間測規定時間Tc內的位置脈沖數內的位置脈沖數m1pN每

52、轉的位置信號脈沖個數每轉的位置信號脈沖個數 特種電機及其控制特種電機及其控制fmT2測相鄰兩個轉子位置脈沖信號的測相鄰兩個轉子位置脈沖信號的時間間隔時間間隔 設時鐘頻率為設時鐘頻率為f，兩個位置脈沖間的時鐘脈沖個，兩個位置脈沖間的時鐘脈沖個數為數為m2，則電機轉子位置脈沖信號的周期，則電機轉子位置脈沖信號的周期T為為特種電機及其控制特種電機及其控制 定時器定時器 計數器計數器 總線總線 位置脈沖信號位置脈沖信號 記數器記數器 接口接口 總線總線 時鐘脈沖時鐘脈沖 位置脈沖信號位置脈沖信號 特種電機及其控制特種電機及其控制1260Nm fnp m D 觸觸發發器器 D CP Q Tc HSO.0

53、 HSI.0 HSI.1 SP Td Tc Td m1 m2 在稍大于規定時間在稍大于規定時間Tc的某一時間的某一時間Td內，分內，分別對位置信號的脈沖別對位置信號的脈沖個數個數m1和高頻時鐘脈和高頻時鐘脈沖個數沖個數m2進行計數進行計數 特種電機及其控制特種電機及其控制SRSR電動機電動機電阻采樣電阻采樣電流檢測電路：由電流檢測電路：由采樣電阻和光電隔離器以及信號調理電路構成，采樣電阻和光電隔離器以及信號調理電路構成，采樣電阻對相電流采樣后經過阻容濾波送入隔離運算放大器進行隔離放大，再經運采樣電阻對相電流采樣后經過阻容濾波送入隔離運算放大器進行隔離放大，再經運算放大器組成的差動放大電路將信號

54、的幅值調理到合適的范圍，最后送入微控制器算放大器組成的差動放大電路將信號的幅值調理到合適的范圍，最后送入微控制器的的ADC 口。工業上使用的采樣電阻是低電感、電阻溫度系數小的分流器，在分流口。工業上使用的采樣電阻是低電感、電阻溫度系數小的分流器，在分流器通過額定電流時其電壓為器通過額定電流時其電壓為75mV。 特種電機及其控制特種電機及其控制HCPL7840 隔離運算放大器的的典型增益值為8，輸入范圍為：-0.2V+0.2V，為將75mV 的檢測電壓放大到3.3V，由寬頻帶、低噪聲運算放大器LF356 構成的差動放大電路的放大倍數實際電路的放大倍數為R204/R211=R213/R212=12

55、/2.25.45，略小于5.5 特種電機及其控制特種電機及其控制LEM 模塊的最大優點是借助模塊的最大優點是借助“磁場補償磁場補償”的思想，保持鐵心磁通為零。被的思想，保持鐵心磁通為零。被測電流測電流IL通過導線通過導線(一次側一次側)產生的磁場，使霍爾元件產生的磁場，使霍爾元件HL 感應出霍爾電壓感應出霍爾電壓UH，UH 經放大器放大后，產生一個補償電流經放大器放大后，產生一個補償電流is，而，而is 流經流經Ns 匝線圈匝線圈(二次側二次側)產產生的磁場將抵消生的磁場將抵消IL 產生的磁場，使產生的磁場，使UH減小，減小，is 愈大，合成磁場愈小，直到愈大，合成磁場愈小，直到穿過霍爾元件的

56、磁場是零為止，這時補償電流穿過霍爾元件的磁場是零為止，這時補償電流is 便可可間接地反映出便可可間接地反映出IL 的數的數值。值。特種電機及其控制特種電機及其控制LEM 模塊需要模塊需要+15V 和和-15V 電源供電，可輸出雙方向電流。實際測量中，可根據電源供電，可輸出雙方向電流。實際測量中，可根據具體情況選擇合適的測量電阻具體情況選擇合適的測量電阻R01，并通過，并通過R128、R129 構成的分壓電路將檢測到構成的分壓電路將檢測到的電壓信號變換到適當的范圍。的電壓信號變換到適當的范圍。如，一臺如，一臺SR 電機的最大電流電機的最大電流110A，選用額定電流為，選用額定電流為100A、匝比

57、為、匝比為1：1000 的電流的電流傳感器模塊，則可選傳感器模塊，則可選30/1W 的精密電阻為采樣電阻，選的精密電阻為采樣電阻，選R128=1k、R129=18k，輸入到微控制器輸入到微控制器ADC 口的最大檢測電壓為口的最大檢測電壓為特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制 + US - - VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C LEM 特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制特種電機及其控制DSP 具具有有PWM發生單元，可產生發生單元，可產生16路路PWM 信號信號; ;特種電機及其控

58、制特種電機及其控制：光電傳感器反饋轉子光電傳感器反饋轉子位置信號。通過位置信號。通過F2407 的捕獲單元的捕獲單元(CAP14 4) 對脈沖信號進行實時檢測來實現對轉子位置信對脈沖信號進行實時檢測來實現對轉子位置信號的檢測。號的檢測。CAP 單元不僅能檢測信號的變化單元不僅能檢測信號的變化,而且還能記錄兩次信號變化的時間間隔而且還能記錄兩次信號變化的時間間隔，由此由此，進而準確地控制各相的開通和關進而準確地控制各相的開通和關斷斷。特種電機及其控制特種電機及其控制使用磁場平衡式霍爾檢測器使用磁場平衡式霍爾檢測器(LEM 模塊模塊) 來檢測電機的三相電流。來檢測電機的三相電流。LEM的的輸出一方

59、面輸入到輸出一方面輸入到F2407 的的A/D 轉換口轉換口,轉換轉換成數字信號后用以控制電流斬波限成數字信號后用以控制電流斬波限;一方面輸一方面輸入到保護電路入到保護電路,實現對功率變換器主開關的過實現對功率變換器主開關的過流保護。流保護。5) 鍵盤、顯示電路鍵盤、顯示電路:特種電機及其控制特種電機及其控制TMS320LF2407 接電接電源、晶振電路、復位源、晶振電路、復位電路、仿真器接口，電路、仿真器接口，就構成了就構成了DSP 工作的工作的最小系統。最小系統。此外，電路中還連接此外，電路中還連接了按鍵了按鍵S1、S2 和和S3 用于控制用于控制SR 電動機正電動機正轉、反轉、停止；連轉

60、、反轉、停止；連接了電位器接了電位器VR，用于，用于給定轉速。給定轉速。特種電機及其控制特種電機及其控制將安裝在電機內部的位置傳感器通過圖將安裝在電機內部的位置傳感器通過圖2-73(b)中的中的J101 接口與控制電路相連。位接口與控制電路相連。位置信號經過光耦合器置信號經過光耦合器TLP521 隔離，并經施密特反相器整形后送入隔離，并經施密特反相器整形后送入DSP 捕捉單元的捕捉單元的CAP1、CAP2 和和CAP3 引腳用于測速，同時，將位置信號送入通用引腳用于測速，同時，將位置信號送入通用I/O 口口IOPE0、IOPE1 和和IOPE2用于換相邏輯控制。三路位置信號用于換相邏輯控制。三