开关磁阻电机大学课件.ppt

特种电机及其控制,第2章开关磁阻电机及其驱动 控制系统 (SRD),2.1 SRM 传动系统 2.2 SRM 基本方程与性能分析 2.3 SRD的 控制原理 2.4 SRD 的功率变换器 2.5 SRD 传动系统的反馈信号检测 2.6 SRD 控制系统原理及其实现 2.7 基于单片机的SRD控制系统 2.8 基于DSP的SRD控制系统 2.9 开关磁阻发电机,特种电机及其控制,2.1 SRD传动系统,2.1.1 SRD传动系统的组成,特种电机及其控制,SR电动机定、转子实际结构,特种电机及其控制,SR电机结构与原理,结构特点： 1、双凸极结构 2、定子集中绕组，单方向通电 3、转子无绕组,特种电机及其控制,2.1.2 运行原理：磁阻最小原理,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,特种电机及其控制,1、依次给A-B-C-D-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tr=360/Nr 3、步距角 qb=tr/m=360/(mNr) 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。,特点：,特种电机及其控制,2.1.3 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。,特种电机及其控制,SR电动机常用的相数与极数组合,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,利用永磁体辅助起动的单相SR电动机,特种电机及其控制,2.1.4 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。,特种电机及其控制,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。 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:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）,特种电机及其控制,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。,特种电机及其控制,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：,特种电机及其控制,2.1.5 SRD发展概况,7.5 kW 、1500 r/min几种调速系统性能比较,特种电机及其控制,航空工业,家用电器,机械传动,精密伺服系统,电动车,2.1.6 SRD的应用与研究动向,应用,特种电机及其控制,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 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,特种电机及其控制,2.2 SR电机基本方程与性能分析,J转子与负载的转动惯量 K粘性摩擦系数 TL负载转矩,不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图,特种电机及其控制,电路方程,第k相绕组的相电压平衡方程:,式中 uk第k相绕组的端电压； ik 第k相绕组的电流； Rk第k相绕组的电阻； k第k相绕组的磁链。,特种电机及其控制,磁链方程,所以：,特种电机及其控制,机械运动方程：,式中Te 电磁转矩； J 系统的转动惯量； K摩擦系数； TL负载转矩。,特种电机及其控制,电磁转矩：,磁共能的表达式为：,SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wm导出：,SR电机的平均电磁转矩Tav,特种电机及其控制,2.2.2基于理想线性模型的SR电动机分析,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,1 0 2 3 0 4 5,SR电机相电感随转子位置变化,特种电机及其控制, = 1位置,rotor,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,=0o位置,定子磁极轴线与转子凹槽中心重合,=0o,特种电机及其控制, =2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, = 3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, =4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, =5位置,rotor,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,1 0 2 3 0 4 5,=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,特种电机及其控制,SR电机绕组电感的分段线性解析式：,K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/s,特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在Lmax 和Lmin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, Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。,特种电机及其控制,相电流解析分析,第k相绕组模型,特种电机及其控制,忽略电阻，相绕组电压方程：,所以：,而： =L i,相电流解析分析,特种电机及其控制,1) 当12,L=Lmin ,Us为+,因： L=Lmin , Us取+, 则：,又： i(on)=0, 所以，,当12时，,特种电机及其控制,2) 当2off,L=Lmin+K(-2)，Us为+,积分得：,特种电机及其控制,由初始条件： i(2)=Us(2-on)/( Lmin) 确定 C=Uson/，所以,2) 当2 off时,在2off 期间,特种电机及其控制,3) 当off3,L=Lmin+K(-2)，Us为-,4) 当34,L=Lmax，Us为-,5) 当42off- on5,L=Lmax-K(-4)，Us为-,特种电机及其控制,特种电机及其控制,on2 : 在电感上升前开通，迅速建立电流，以获得足够转矩,2 :电感上升，使绕组电流下降,off3 : 在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。,3z4 (z=2off-on) 在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩,典型电流波形,特种电机及其控制,不同开通角下电流波形,特点： 开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。,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,线性模式下，磁路不饱和：,所以，可导出：,电磁转矩：,特种电机及其控制,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：,特种电机及其控制,(3) SR电动机的电磁转矩是由于转子转动时气隙磁导变化产生的，电感对位置角的变化率越大，转矩越大。选择SR电机的转子齿极数少于定子齿极数，有利于增大电感对位置角的变化率，因此有利于增大电机的出力。 (4) 电磁转矩的大小与电流的平方成正比。考虑实际电机中磁路的饱和影响后，虽然转矩不再与电流的平方成正比，但仍随电流的增大而增大。因此，可以通过增大电流有效地增大电磁转矩。,特种电机及其控制,(5) 在电感曲线的上升阶段，绕组电流产生正向转矩；在电感曲线的下降阶段，绕组电流产生反向转矩(制动转矩)。因此，可以通过改变绕组的通电时刻，改变转矩的方向，而改变电流的方向不会改变转矩的方向。 (6) 在电感的下降阶段( 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。,特种电机及其控制,变化趋势：结构一定，在on和off不变时，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。,影响绕组电流的因素：外加电源电压Us、角速度、开通角on、关断角off、最大电感Lmax、最小电感Lmin、定子极弧s等。,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。,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Lmin；一段为非饱和段，为L(,i)的 不饱和段。,2.2.3准线性模型分析,特种电机及其控制,准线性模型绕阻电感L(i,):,特种电机及其控制,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：,特种电机及其控制,在相电流为理想平顶波的情况下，SR电机平均电磁转矩Tav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。,特种电机及其控制,2.3 SR电机的控制原理,SR电机固有机械特性：,F为以电机结构参数(m，Nr， 2，Lmax，Lmin)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： Tav=k/ 2 P=k/ ,特种电机及其控制,SR电动机的基本机械特性,特种电机及其控制,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。,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,设定电流上、下幅值的斩波图,特种电机及其控制,设定电流上限和关断时间斩波图,特种电机及其控制,PWM斩波调压控制的电流波形,特种电机及其控制,APC运行时Tav与on、off的关系,特种电机及其控制,控制方式的合理选择,特种电机及其控制,电流斩波的最高限速Cmax,(on2),电流斩波的最高限速为,特种电机及其控制,SR电动机的起动运行,四相SR电动机的矩角特性,特种电机及其控制,两相起动时合成转矩波形,特种电机及其控制,SR电动机的四象限运行控制,SR电动机正反转控制原理,特种电机及其控制,制动状态下L,i,Te与转子 位置角 的关系示意图,特种电机及其控制,2.4 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。,特种电机及其控制,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。,特种电机及其控制,2.4.1 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VT1和VT2同时导通时，电源US 向电机相绕组供电 ；当VT1和VT2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。 。,特种电机及其控制,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 。,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,2. 双绕组型电路,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。,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,3、电容分压型 （电源分裂式）,两个相串联的电容C1和C2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。,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,4、H桥型,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,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,4相SR电机主电路工作方式,4相8/6极SR电机主电路,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,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,特种电机及其控制,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,换相：V1关断，V2关断,特种电机及其控制,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：1.5190 Nm； 过载能力：120%。,特种电机及其控制,功率变换器主电路,特种电机及其控制,器件的选用,IGBT模块结构图,特种电机及其控制,EXB841 原理图,IGBT驱动电路,特种电机及其控制,EXB841典型应用电路,特种电机及其控制,2.5 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30o间隔的齿(4相8/6极电机),位置检测,特种电机及其控制,位置信号检测电路原理图,VG为光电开关，R1、R2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。,特种电机及其控制,槽型光电耦合开光,特种电机及其控制,=0，S=1,P=1。导通: AB,S,P,顺时针-1,制动：CD,1,特种电机及其控制,=15，S=0,P=1 。导通: DA,S,P,顺时针-2,1,制动：BC,特种电机及其控制,=30，S=0,P=0 。导通: DC,S,P,顺时针-3,1,制动：AB,特种电机及其控制,=45，S=1,P=0 。导通: CB,S,P,顺时针-4,1,制动：DA,特种电机及其控制,=60，S=1,P=1 。导通: BA,S,P,顺时针-1(5),1,制动：CD,特种电机及其控制,=0，S=1,P=0 。导通: AD,S,P,逆时针-1,制动：BC,特种电机及其控制,=15，S=0,P=0 。导通: AB,S,P,逆时针-2,制动：CD,特种电机及其控制,=30，S=0,P=1 。导通: BC,S,P,逆时针-3,制动：DA,特种电机及其控制,=45，S=1,P=1 。导通: CD,S,P,逆时针-4,制动：AB,特种电机及其控制,=60，S=1,P=0 。导通: AD,S,P,逆时针-5(1),制动：BC,特种电机及其控制,锁相环原理,角度检测,特种电机及其控制,角度细分电路 (I),CD4046锁相环， CD4040十二级二进制计数器,特种电机及其控制,软件角度细分电路,利用高速输入口HSI对角度进行细分：HSI不仅可以自动检测输入信号状态的变化，还可以自动记录状态变化发生的相对时刻。,特种电机及其控制,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。,特种电机及其控制,模拟测速：用LM2907构成的F/V转换电路,特种电机及其控制,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pN和Tc相同的条件下，高转速时m1较大，量化误差较小。,M法测速：,测规定时间Tc内的位置脉冲数m1,pN每转的位置信号脉冲个数,特种电机及其控制,M法测速 与 T法测速,T法适用于低速运行时的测速。,T法测速：,测相邻两个转子位置脉冲信号的时间间隔,设时钟频率为f，两个位置脉冲间的时钟脉冲个数为m2，则电机转子位置脉冲信号的周期T为,特种电机及其控制,M法测速原理图,T法测速原理图,特种电机及其控制,M/T法测速,M/T法测速方案之一,在稍大于规定时间Tc的某一时间Td内，分别对位置信号的脉冲个数m1和高频时钟脉冲个数m2进行计数,特种电机及其控制,2.5.3 电流检测,SR电动机电阻采样电流检测电路,特种电机及其控制,霍尔电流传感器检测电路,特种电机及其控制,四相SR电动机电流检测,特种电机及其控制,三相SR电动机电流检测,特种电机及其控制,2.6 SRD控制系统原理及其实现,SRD控制系统原理图,特种电机及其控制,1、采用转速外环、电流内环的双闭环控制，ASR(转速调节器) ACR(电流调节器)。 2、控制模式选择：根据实时转速信号确定控制模式在低速运行时，固定开通角on和关断角off，采用CCC控制；在高速运行时，采用APC控制。 3、在APC方式下，将电流指令i*抬高，使斩波不再出现，由转矩指令T*的增减来决定开通角on和关断角off的大小。 4、在CCC方式下，实际电流的控制是由PWM斩波实现的。ACR根据电流误差来调节PWM信号的占空比，PWM信号与换相逻辑信号相“与”并经放大后用于控制功率开关的导通和关断。,特种电机及其控制,数模系统：元件多、控制灵活性差，难以实现复杂的控制算法，因此它逐渐被各种微型计算机所代替。目前，仅用于功能单一的专用SRD系统和一些小功率简易型产品中。 单片机控制与硬件电路相结合: (1) 8位单片机系统仍需要增加较多的外围电路，而且运算速度较慢，系统实时性较差,典型的模拟量采样计算时间为50ms . (2) 16位单片机的典型采样时间为5ms，用于电流环调节仍较困难 . DSP数字控制系统：（TMS32x24x系列DSP控制器的典型指令周期为50ns，而单片机的指令周期为毫秒级和微秒级）。简化系统硬件，完成复杂算法，提高控制精度和控制性能,特种电机及其控制,2.7 基于单片机的SRD控制系统,特种电机及其控制,4相8/6极SR电机两相全开通时的换相逻辑,特种电机及其控制,X为控制电动与制动的开关量 Z为控制转向的开关量,驱动信号TA TD由高速输出口HSO.0HSO.3输出,4相8/6极SR电机两相全开通时的换相逻辑,特种电机及其控制,电流检测电路,特种电机及其控制,电流斩波与过流保护电路 （滞环比较）,特种电机及其控制,逻辑综合电路,特种电机及其控制,过电压检测,特种电机及其控制,欠电压检测,特种电机及其控制,过热保护电路,特种电机及其控制,80C196KC单片机最小应用系统功能扩展电路图,特种电机及其控制,主程序流程图,特种电机及其控制,起动模块流程图,特种电机及其控制,中断服务流程图,特种电机及其控制,控制算法流程图,特种电机及其控制,2.8 基于DSP的SRD控制器,特种电机及其控制,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。,特种电机及其控制,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F240