1、特种电机及其控制特种电机及其控制2.1 SRM 传动系统传动系统2.2 SRM 基本方程与性能分析基本方程与性能分析2.3 SRD的的 控制原理控制原理2.4 SRD 的功率变换器的功率变换器2.5 SRD 传动系统的信号检测传动系统的信号检测2.6 基于基于DSP的的SRD控制系统硬件控制系统硬件2.7 基于基于DSP的的SRD控制系统软件控制系统软件2.8 SRM电磁计算电磁计算2.9 开关磁阻发电机开关磁阻发电机特种电机及其控制特种电机及其控制 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 特种电机及其
2、控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制1、双凸极结、双凸极结构构2、定子集中、定子集中绕组，单方绕组，单方向通电向通电 3、转子无绕、转子无绕组组特种电机及其控制特种电机及其控制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特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制)22kNNkmNsrs1 1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以、为了
3、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。特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制 相数相数 3 4 5 6 7 8 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
4、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特种电机及其控制特种电机及其控制 PM PM 特种电机及其控制特种电机及其控制常规两相SR 电动机 定子磁极偏移的两相SR 电动机 在定、转子磁极中心线对齐位置在定、转子磁极中心线对齐位置(对对齐位置齐位置)和定子极中心与转子槽中心和定子极中心与转子槽中心对齐位置对齐位置(不对齐位置不对齐
5、位置)也不具备自也不具备自起动能力，而且还存在较大的转矩起动能力，而且还存在较大的转矩“死区死区”为了可靠地自起动，两相为了可靠地自起动，两相SR 电动电动机可采用不对称转子结构或不对机可采用不对称转子结构或不对称定子结构。称定子结构。特种电机及其控制特种电机及其控制转子不对称两相转子不对称两相SR电机电机特种电机及其控制特种电机及其控制常见三相和四相常见三相和四相SR电机电机特种电机及其控制特种电机及其控制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,开关磁阻电动机的结构比通常认为最简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。单的鼠笼式感
6、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组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。功率开关。特种电机及其控制特种电机及其控制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统 从从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相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矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路
7、共同作用下产生一个圆形旋转磁场，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。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。转矩是本系统的一大特点。（SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）特种电机及其控制特种电机及其控制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系统具有的高起动转矩，低起动电流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的特点，使之在起
8、动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。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 控制开关控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种法至少有四种: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,相绕组电压。相绕组电压。特种电机及其控制特种电机及其控制7)7)效率高，损耗小效率高，损耗小 SRDSRD系统是一种系统是一种非常高效的调速系统。非常高效的调速系统。8)8)可通过机和电的统一协调设计满可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求足各种特殊使用要求 。9)9)
9、缺点：转矩脉动、振动、噪声，缺点：转矩脉动、振动、噪声，但可通过特殊设计克服但可通过特殊设计克服特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制航空工业航空工业：F-16战斗机，战斗机，SR起动起动/发电机系统，技发电机系统，技术指标为：术指标为：013400r/min 恒转矩恒转矩177N m起动，起动，1340026000r/min恒电压恒电压270VDC、3 125kW发电，发电，系统效率为系统效率为90，功率，功率/重量比为重量比为2.5kW/kg。F-35工业节能：工业节能：SR电动机良好的起动性能使它特别适合于需电动机良好的起动性能使它特别适合于需要起动转矩大、低速
10、性能好、频繁正反转等场合，如在龙门刨要起动转矩大、低速性能好、频繁正反转等场合，如在龙门刨床、平网印花机、可逆轧机等应用中都取得了良好的效果。同床、平网印花机、可逆轧机等应用中都取得了良好的效果。同时，在采煤机械、油田抽油机等领域有很好的应用前景，特别时，在采煤机械、油田抽油机等领域有很好的应用前景，特别是应用于抽油机替代异步电动机，可取得是应用于抽油机替代异步电动机，可取得1030以上的节电以上的节电效果。效果。电动车电动车电动车驱动的最佳选择之一电动车驱动的最佳选择之一 ，采用和大力发展该方采用和大力发展该方案的公司有奔驰公司、沃尔沃公司、菲压特公司、通用汽车公司等。案的公司有奔驰公司、沃
11、尔沃公司、菲压特公司、通用汽车公司等。如，在如，在2010 年年9 月的巴黎车展上，捷豹推出了使用开关磁阻电机和微月的巴黎车展上，捷豹推出了使用开关磁阻电机和微燃机技术的燃机技术的C-X75 插电增程式超跑概念车。插电增程式超跑概念车。特种电机及其控制特种电机及其控制vSR电机设计研究：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(DITC、TSF、ANN)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
12、、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研究：电动车、发电机、一体化电机等特种电机及其控制特种电机及其控制 J转子与负载的转动惯量转子与负载的转动惯量 K 粘性摩擦系数粘性摩擦系数 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 不计磁滞、
13、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 特种电机及其控制特种电机及其控制第第k相绕组的相电压平衡方程相绕组的相电压平衡方程:dtdiRukkkk式中式中 uk第第k相绕组的端电压；相绕组的端电压；ik 第第k相绕组的电流；相绕组的电流；Rk第第k相绕组的电阻；相绕组的电阻；k第第k相绕组的磁链。相绕组的磁链。特种电机及其控制特种电机及其控制所以：所以：电阻压降电阻压降dtdLidtdiiLiLiRdtddtdiiiRUkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkiiL),(绕组电感绕组电感特种电机及其控制特种电机及其控制LeTdtdKdtdJT2
14、2特种电机及其控制特种电机及其控制diiWi0m),(),(miWTediTmNTrNerav/20),(2-iWm特种电机及其控制特种电机及其控制 不计磁路饱和，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特种电机及其控制特种电机及其控制stator =1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 1特种电机及其控制特种电机及其控制stator=0o位置位置rotor定子磁极轴线与转子凹槽中心重合定子磁
15、极轴线与转子凹槽中心重合=0o特种电机及其控制特种电机及其控制stator =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 2特种电机及其控制特种电机及其控制stator =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子磁极前沿重合位置rotor 3特种电机及其控制特种电机及其控制stator =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 4特种电机及其控制特种电机及其控制stator =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特种电机及
16、其控制特种电机及其控制 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特种电机及其控制特种电机及其控制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
17、-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。特种电机及其控制特种电机及其控制相电流解析分析相电流解析分析-zonzoffsoffonsUU,0uk特种电机及其控制特种电机及其控制忽略电阻，相绕组电压方程：忽略电阻，相绕组电压方程：而：而：=L idtdUSdidLdidLUsLiLidtdtdtd相电流解析分析相电流解析分析sdidLULidtdsUdidLLidd特种电机及其控制特种电机及其控制minsUdiLdmin()sonU
18、iL-特种电机及其控制特种电机及其控制min2()sUCLKi-min2min2min2()()()()sUdidLdiLiLKiKddddidiLKKiKdddid K iLKdd-特种电机及其控制特种电机及其控制min2()()()sonUiLK-特种电机及其控制特种电机及其控制min2(2)()()soffonUiLK-max(2)()soffonUiL-max4(2)()()soffonUiLK-特种电机及其控制特种电机及其控制12min2min23min234max45max4()()(2)()()(2)(2)()sonsonoffsoffonoffsoffonsoffonULULK
19、UiLKULULK-开通角开通角关关断断角角特种电机及其控制特种电机及其控制 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)，绕组电流将产生制动，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，
20、即电感上升区的中间位置，是比较好的选择。选择。特种电机及其控制特种电机及其控制结构一定，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U Us s、角、角速度速度、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
21、s等。等。线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很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。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，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。2.2.3准
22、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特种电机及其控制特种电机及其控制准线性模型绕阻电感准线性模型绕阻电感L(i,):特种电机及其控制特种电机及其控制 基于准线性模型，基于准线性模型，L(i,)是可解析的，可以是可解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到此得到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：特种电机及其控制特种电机及其控制)21)(2minmax2min2222LLLUNmToffonoffSrav-特种电机及其控制特种电机及其控制2.3 SR电机的控制原理电机
23、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/savUFT 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/特种电机及其控制特种电机及其控制 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 特种电机及其控制特种电机及其控制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类
24、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，称为为特种电机及其控制特种电机及其控制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
25、上，角度位置控制基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率，输出恒功率特种电机及其控制特种电机及其控制 O i Imin Imax 特种电机及其控制特种电机及其控制 O i Imax 特种电机及其控制特种电机及其控制 O i 特种电机及其控制特种电机及其控制 O Te off on增增大大 特种电机及其控制特种电机及其控制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 特种电机及其控制特种电机及其控制-onSLUimin)(HonSCILU-2minmax特种电机及
26、其控制特种电机及其控制在角度控制方式下，绕组电流宽度相对较窄，往往在两相脉在角度控制方式下，绕组电流宽度相对较窄，往往在两相脉冲之间留有较宽的零转矩区域，因此转矩脉动较大；转速越冲之间留有较宽的零转矩区域，因此转矩脉动较大；转速越低，转矩脉动越大。最严重的情况是：在负载转矩的作用下，低，转矩脉动越大。最严重的情况是：在负载转矩的作用下，SR 电动机的转速在一个步距角范围内降为零，此时的速度电动机的转速在一个步距角范围内降为零，此时的速度就是角度控制的最低限速就是角度控制的最低限速Amin。根据能量守恒原理得。根据能量守恒原理得变角度运行的最变角度运行的最低限速低限速特种电机及其控制特种电机及其
27、控制 A B C D D A B C D D Te 30 O 导导通通相相控控制制 60 Tstmin 特种电机及其控制特种电机及其控制 D A C AB BC CD DA Te 30 O 导通相控制导通相控制 60 B D 特种电机及其控制特种电机及其控制 on off 导导 通通 区区 正正 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 特种电机及其控制特种电机及其控制 L i L,i O Te -Te r/2 on r off 特种电机及其控制特种电机及其控制v功率变换器是直流电源和功率变换器是直流电源和SRM的接口，起的接口，
28、起着将电能分配到着将电能分配到SRM绕组中的作用，同时绕组中的作用，同时接受控制器的控制。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，因此只需要单极性供电的功率变换器。功率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。速向电源回馈能量。特种电机及其控制特种电机及其控制（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组；）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）主开关器件的电压额定值与电动机接近；近；（4
29、）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，有效地控制）可通过主开关器件调制，有效地控制相电流；相电流；（6）能将能量回馈给电源。）能将能量回馈给电源。特种电机及其控制特种电机及其控制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
30、电源，实现强迫换相。换相。+US -VD1 VD2 VT1 VT2 特种电机及其控制特种电机及其控制双开关型电路特点：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）相电压电源电压；）相电压电源电压；4 4）器件数量）器件数量:多多。特种电机及其控制特种电机及其控制+US -VD1 VD4 VT1 VT4 VD2 VD5 VT2 VT5 VD3 VD6 VT3 VT6 A B C 特种电机及其控制特种电机及其控制 2.2.双绕组型电路双绕组型电路主开关主开关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
31、；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、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，副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为同名端反接，其匝数比为1 1：1 1。特种电机及其控制特种电机及其控制 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
32、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特种电机及其控制特种电机及其控制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
33、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。特种电机及其控制特种电机及其控制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特种电机及其控制特种电机及其控制比四相电容分压型比四相电容分压型功率变换器主电路功率变换器主电路少了两个
34、串联的分少了两个串联的分压电容，换相相的压电容，换相相的磁能以电能形式一磁能以电能形式一部分回馈电源，另部分回馈电源，另一部分注入导通相一部分注入导通相绕组，引起中点电绕组，引起中点电位的较大浮动。位的较大浮动。它它要求每一瞬间必须要求每一瞬间必须上、下各有一相导上、下各有一相导通。通。特种电机及其控制特种电机及其控制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
35、常用的主电路形式用的主电路形式特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制单管斩波方式，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特种电机及其控制特种电机及其控制主电路主电路续流续流特种电机及其控制特种电机及其控制斩波：V1关断，续流换相：V2关断，V1导通换相：V1关断，V2关断特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制三相不对称半桥型主电路三相不对称半桥型主电路:由三相工频交流电经全波整流后供电，其直流供
36、电电压的平由三相工频交流电经全波整流后供电，其直流供电电压的平均值为均值为513V。电解电容。电解电容C1 和和C2 对整流电路的输出起到滤波作用，工业用电解电容的对整流电路的输出起到滤波作用，工业用电解电容的耐压通常为耐压通常为450V 和和400V，需串联使用。电阻，需串联使用。电阻R2、R3 均压电阻。均压电阻。R1 为合闸时的限流为合闸时的限流电阻，防止合闸时浪涌电流对滤波电容有过大的电流冲击。当系统上电时，延时电路电阻，防止合闸时浪涌电流对滤波电容有过大的电流冲击。当系统上电时，延时电路延时延时35s，直流母线电压达到额定直流电压的，直流母线电压达到额定直流电压的(6080)%后，使
37、接触器后，使接触器KM 闭合，将闭合，将R1 从电路中切除。从电路中切除。VT 和和Rb 构成制动放电电路，当构成制动放电电路，当SR 电动机突然停车或制动运行时，电动机突然停车或制动运行时，电机绕组中储存的能量向电源回馈，致使电容两端的电压升高，当直流母线电压达到电机绕组中储存的能量向电源回馈，致使电容两端的电压升高，当直流母线电压达到一定限值时一定限值时(如如680Vdc)，VT 开关管开通，将多余的能量通过电阻开关管开通，将多余的能量通过电阻Rb 消耗。消耗。特种电机及其控制特种电机及其控制器件选用耐压：三相桥式整流电路输出的直流电压的最大值为耐压：三相桥式整流电路输出的直流电压的最大值
38、为USm=537V，输出电压的平均值为，输出电压的平均值为US=1.35380V513V。考。考虑虑2 倍的安全余量，功率开关器件的耐压应选倍的安全余量，功率开关器件的耐压应选1200V级。级。考虑考虑23 倍的安全余量，整流桥选国产的三相全波整流桥倍的安全余量，整流桥选国产的三相全波整流桥MDS100-16，其耐压为，其耐压为1600V，电流定额为，电流定额为100A。整流二极管的电流有整流二极管的电流有效值效值在过载在过载1.2 倍时，直倍时，直流侧电流的有效值流侧电流的有效值特种电机及其控制特种电机及其控制器件选用考虑安全裕量，选功率器件的电流定额考虑安全裕量，选功率器件的电流定额为为2
39、00A,电压定额为电压定额为1200V。主开关器件选英飞凌公司生产的主开关器件选英飞凌公司生产的FF200R12KT3 双单元双单元IGBT 模块。模块。一相绕组的电路连接如图示，每个双一相绕组的电路连接如图示，每个双IGBT 模块只使用其中一个模块只使用其中一个IGBT 单元，单元，另一个另一个IGBT 单元的单元的G、E 极短接，当续极短接，当续流二极管使用。流二极管使用。功率开关的电流峰值功率开关的电流峰值特种电机及其控制特种电机及其控制器件选用三相桥式整流电路中滤波电容需三相桥式整流电路中滤波电容需要供电的时间是整流输出电压的要供电的时间是整流输出电压的半个周期半个周期,即即电容提供的
40、电流电容提供的电流滤波电容容量滤波电容容量设滤波电容输出的电压波动峰峰值为设滤波电容输出的电压波动峰峰值为Vr=40V，滤波电容选四只滤波电容选四只3300 F/400V 的电解电容两串两的电解电容两串两并。并。特种电机及其控制特种电机及其控制 14 15 5 4 6 2 3 1 9 AMP 过流保护电路过流保护电路 特种电机及其控制特种电机及其控制 15 6 2 3 1 9 4 5 14 10mEXB841 驱驱动动信信号号 4.7k 1/2W 过过流流保保护护输输出出 TLP521 或或等等效效 47 F 47 F ERA34-10 RG IGBT ICC 20V 0V 隔隔离离电电源源
41、绞绞线线 特种电机及其控制特种电机及其控制即插即用型驱动器即插即用型驱动器英飞凌公司的英飞凌公司的2ED300C17-S双通道双通道驱动器，每块驱动板可驱动驱动器，每块驱动板可驱动600V/1200V/1700V 全系列全系列IGBT两两个，其主要特点如下：个，其主要特点如下：具有具有IGBT 短路、过流状况监短路、过流状况监测，故障时实现测，故障时实现“软关断软关断”；内部集成内部集成DC-DC 电源模块，电源模块，只需一路只需一路15V电源供电；电源供电；峰值输出电流可达峰值输出电流可达30A，15V 驱动电压，驱动电压，信号延迟时间短，抗高频干扰信号延迟时间短，抗高频干扰能力强。能力强。
42、特种电机及其控制特种电机及其控制2.5.1 静止部分静止部分运动部分运动部分特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制=0，S=1,P=1。导通:ABABCDACDBSP顺时针顺时针-1制动：制动：CD1特种电机及其控制特种电机及其控制=15，S=0,P=1。导通:DAABCDACDBSP顺时针顺时针-21制动：制动：BC特种电机及其控制特种电机及其控制=30，S=0,P=0。导通:DCABCDACDBSP顺时针顺时针-31制动：制动：AB特种电机及其控制特种电机及其控制=45，S=1,P=0。导通:CBAB
43、CDACDBSP顺时针顺时针-41制动：制动：DA特种电机及其控制特种电机及其控制=60，S=1,P=1。导通:BA ABCDACDBSP顺时针顺时针-1(5)1制动：制动：CD特种电机及其控制特种电机及其控制=0，S=1,P=0。导通:ADABCDACDBSP逆时针逆时针-1制动：制动：BC特种电机及其控制特种电机及其控制=15，S=0,P=0。导通:ABABCDACDBSP逆时针逆时针-2制动：制动：CD特种电机及其控制特种电机及其控制=30，S=0,P=1。导通:BCABCDACDBSP逆时针逆时针-3制动：制动：DA特种电机及其控制特种电机及其控制=45，S=1,P=1。导通:CDAB
44、CDACDBSP逆时针逆时针-4制动：制动：AB特种电机及其控制特种电机及其控制=60，S=1,P=0。导通:ADABCDACDBSP逆时针逆时针-5(1)制动：制动：BC特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制相位锁定相位锁定 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 2.5.2角度检测角度检测1）硬件角度细分）硬件角度细分基于锁相环（基于锁相环（PLL）特种电机及其控制特种电机及其控制锁相环的应用：如果输入信号频率如果输入信号频
45、率fi 不等于不等于VCO 输出信号频率输出信号频率fo，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。如果在相位比较器在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。如果在相位比较器和压控振荡器之间加一个和压控振荡器之间加一个N 分频器，如图示，则可完成倍频功能，在分频器，如图示，则可完成倍频功能，在压控振荡器输出端获得频率为压控振荡器输出端获得频率为fo=Nfi 的信号。的信号。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 特
46、种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制特种电机及其控制12 级二进制计数器CD4040：当当CD4040的清零端为零时，在的清零端为零时，在时钟脉冲下降沿作用下，作增量计数，时钟脉冲下降沿作用下，作增量计数，Ql 是时钟脉冲的是时钟脉冲的2 分频，分频，Q2对对Ql 的输出进行的输出进行2 分频，依此类推。分频，依此类推。Q9（12脚）的分频倍数是脚）的分频倍数是29512特种电机及其控制特种电机及其控制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
47、锁相环，锁相环，CD4040十二级二进制计数器十二级二进制计数器CD4040 分频器，插在锁分频器，插在锁相环的相环的VCO 输出和比较输出和比较器之间，当锁相环锁定器之间，当锁相环锁定时，计数器的输出信号时，计数器的输出信号频率与锁相环的输入信频率与锁相环的输入信号频率相等，从而在计号频率相等，从而在计数器时钟输人端数器时钟输人端(即即VCO 的输出端的输出端)得到倍频输出得到倍频输出信号。当信号。当CD4040的清零的清零端为零时，在时钟脉冲端为零时，在时钟脉冲下降沿作用下，作增量下降沿作用下，作增量计数，计数，Ql 是时钟脉冲的是时钟脉冲的2 分频，分频，Q2对对Ql 的输出进的输出进行
48、行2 分频，依此类推。本分频，依此类推。本电路的分频倍数是电路的分频倍数是29512特种电机及其控制特种电机及其控制采用高性能电机控制用微控制器为核心处理器，采用高性能电机控制用微控制器为核心处理器，利用其输入捕获功能对角度进行细分，利用其输入捕获功能对角度进行细分，输入捕获单元不仅可以自动检测输入信号状态输入捕获单元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的变化，还可以自动记录状态变化发生的相对时刻。时刻。四相四相SR 电动机转子位置传感器发出的转子位置电动机转子位置传感器发出的转子位置信号信号S 和和P，经高速光电隔离后送到，经高速光电隔离后送到CAP1 和和C
49、AP2。使捕获单元工作在上升、下降沿方式，。使捕获单元工作在上升、下降沿方式，S、P 信号每次电平变化都会引起捕获中断。在信号每次电平变化都会引起捕获中断。在捕获单元的状态寄存器中能读到捕获单元的状态寄存器中能读到S、P 信号的当信号的当前电平状态及当前中断是哪一路信号引起的，前电平状态及当前中断是哪一路信号引起的，从时间寄存器中可以读到每次中断发生的时刻。从时间寄存器中可以读到每次中断发生的时刻。这样，就可以得到相邻两次捕获中断期间标准这样，就可以得到相邻两次捕获中断期间标准频率的脉冲周期数。用这个标准频率的脉冲周频率的脉冲周期数。用这个标准频率的脉冲周期数除以相邻两次捕获中断对应的转子角位
50、移，期数除以相邻两次捕获中断对应的转子角位移，就得到每度对应的标准频率脉冲数。就得到每度对应的标准频率脉冲数。特种电机及其控制特种电机及其控制60nNfrp特种电机及其控制特种电机及其控制当输入信号当输入信号S 的状态改变的状态改变时，定时电容器时，定时电容器C1 在电在电压为压为UCC/2 和和0 之间线性地之间线性地充电或放电，其中泵入电充电或放电，其中泵入电容器的平均电流为容器的平均电流为iav=C1Uccfin，而输出电路，而输出电路会非常精确地把这一电流会非常精确地把这一电流送入负载电阻送入负载电阻R1 中，这样，中，这样，滤波后的电流被积分电容滤波后的电流被积分电容C2 积分后得到
