畢業(yè)設(shè)計--小功率開關(guān)磁阻電機(jī)控制與驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文首先介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，接著介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（SRD）的特點、應(yīng)用領(lǐng)域和目前研究的熱點；并對開關(guān)磁阻電機(jī)的運行原理和電磁特性及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行闡述，建立了開關(guān)磁阻電機(jī)的線性電感模型，在此基礎(chǔ)上分析了開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而得到開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速控制方法。</p><

2、p>　　其次，詳細(xì)介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的各個組成部分，并介紹了目前常用的控制方法，分析了各種控制方法的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合4kW/513V、三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。硬件設(shè)計包括對開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率變化器主電路的設(shè)計及參數(shù)選擇，設(shè)計中采用功率MOSFET為主開關(guān)器件，以驅(qū)動芯片TLP250為核心設(shè)計驅(qū)動電路；以單片機(jī)AT89C51和電機(jī)智能控制模塊為核心設(shè)計控制電路；此外還設(shè)計了位置檢

3、測電路、電流檢測電路、邏輯綜合電路和數(shù)碼顯示電路等。其中電機(jī)智能控制模塊實現(xiàn)速度、電流雙PI調(diào)節(jié)、PWM生成、電流保護(hù)、斬波比較等功能；單片機(jī)負(fù)責(zé)判斷轉(zhuǎn)子的位置信息，并綜合各種保護(hù)信號和給定信息，以及轉(zhuǎn)速情況，給出相通信號及電流斬波閾值。在控制軟件設(shè)計中采用模塊化編程，增強(qiáng)了程序的通用性和可讀性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)； 控制； AT89C51； 功率MOSFET</p>&l

4、t;p><b>　　ABSTRACT </b></p><p>　　ABSTRACT: Firstly, the thesis not only presents the developing status of the SRD system both in domestic and abroad，but also introduces the configuration applic

5、ation area and research hotspot of SRD system，and then expatiate the electromagnetism principle and mathematic model of SRM, establishes liner inductance model of SRM, then analysis electromagnetism torque of SRD system

6、 based on linear inductance model，get the control method of SRD system finally. </p><p>　　Secondly, the thesis introduces all parts of SRD system in detail, and introduces the control method now used, give o

7、ut the advantage and disadvantage of any method. And then the thesis designs the hardware and software of the SRD system based on 4kW/513V, 12/8 SRM. Hardware implementation including of choosing the structure and parame

8、ter of power converter with its power component--POWER MOSFET; As the core driver circuit to drive the chip TLP250; The control circuit with the core components---</p><p>　　KEYWORDS: SRM; CONTROL; AT89C51; P

9、OWER MOSFET </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章緒論1</b></p><p>　　1.1 開關(guān)磁阻電

10、機(jī)的發(fā)展1</p><p>　　1.2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點和應(yīng)用領(lǐng)域1</p><p>　　1.3 當(dāng)前的主要研究熱點和發(fā)展方向3</p><p>　　1.4本課題主要工作4</p><p>　　第二章 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本理論分析5</p><p>　　2.1開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成5</

11、p><p>　　2.2開關(guān)磁阻電動機(jī)結(jié)構(gòu)與運行原理5</p><p>　　2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本方程7</p><p>　　2.4 基于理想線性模型的SR電動機(jī)分析8</p><p>　　2.4.1 SR電機(jī)的相電感模型8</p><p>　　2.4.2 SR電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩9</p><p

12、>　　2.5 考慮磁路飽和時SR電動機(jī)的分析10</p><p>　　2.6 SR電機(jī)的基本控制方式12</p><p>　　2.7 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體方案的確定13</p><p>　　第三章 小功率開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計15</p><p>　　3.1開關(guān)磁阻電機(jī)的參數(shù)15</p><p&g

13、t;　　3.2功率變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計15</p><p>　　3.2.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹15</p><p>　　3.2.2功率電路的設(shè)計19</p><p>　　3.2.3功率變換器的驅(qū)動電路設(shè)計21</p><p>　　3.2.4 功率緩沖（吸收）電路設(shè)計22</p><p>　　3．3驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計24

14、</p><p>　　3.3.1總體設(shè)計24</p><p>　　3.3.2控制核心AT89C51功能25</p><p>　　3.3.3 電機(jī)智能控制模塊MCSRD980025</p><p>　　3.3.4 位置檢測部分設(shè)計28</p><p>　　3.3.5 電流檢測部分設(shè)計30</p>

15、<p>　　3.3.6角度細(xì)分電路31</p><p>　　3.3.7 D/A轉(zhuǎn)換與斬波電路32</p><p>　　3.3.8 優(yōu)先編碼電路33</p><p>　　3.3.9邏輯綜合電路34</p><p>　　3.3.10顯示電路34</p><p>　　3.3.11單片機(jī)最小系統(tǒng)35<

16、;/p><p>　　第四章 4kW開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)軟件設(shè)計37</p><p><b>　　4.1主程序37</b></p><p>　　4.2運行子程序39</p><p>　　4.3相中斷程序41</p><p>　　4.4 INTO中斷子程序43</p><p&

17、gt;　　4.5 軟件抗干擾措施43</p><p><b>　　致謝45</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)46</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展</p><p>　　20

18、世紀(jì)60年代以前，在需要可逆、可調(diào)速與高性能的電氣傳動技術(shù)領(lǐng)域中，直流傳動系統(tǒng)一直占領(lǐng)統(tǒng)治地位。自60年代以后，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電氣傳動技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化，特別是異步電動機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理論的產(chǎn)生及應(yīng)用技術(shù)的推廣，使得異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度，快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技術(shù)性能，其動、靜態(tài)特性完全可以和直流傳動系統(tǒng)相媲美，于是出現(xiàn)了交流傳動取代直流傳動的

19、趨勢。但是，異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)也尚有一些未盡如人意之處。 </p><p>　　正是在電氣傳動技術(shù)得到迅猛發(fā)展的時代背景下，20世紀(jì)80年代國際上推出了一種新型交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)——開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。它融新的電動機(jī)結(jié)構(gòu)——開關(guān)磁阻電動機(jī)(Switched Reluctance Motor，簡稱SR電動機(jī))與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為一體，兼有異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，已成為當(dāng)代

20、電氣傳動的熱門課題之一。</p><p>　　1.2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點和應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型調(diào)速電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特點：</p><p>　　電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低

21、、適用于高速</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)比鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)還要簡單，其突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)子上沒有繞組，因此不會有鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)制造過程中鼠籠鑄造不良和使用中的斷條等問題。開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械彈性很好，可以用于超高速運轉(zhuǎn)（如1000r/min）。在定子方面，它只有幾個集中繞組，因此制造簡單，絕緣容易。</p><p>　　（2）各相工作獨立、系統(tǒng)可靠性高</p>

22、<p>　　從電動機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)上看，各相繞組和磁路相互獨立，各自在一定軸角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。而不像在一般電動機(jī)中必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電動機(jī)才能正常運轉(zhuǎn)。從控制器結(jié)構(gòu)上看，各相電路各自給一相繞組供電，一般也是相互獨立工作?？梢姡?dāng)電動機(jī)一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時，只須停止該相工作，電動機(jī)除總輸出功率能力有所下降外，并無其他影響，因此開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以構(gòu)成可靠性很高的系統(tǒng)，可以適用于一

23、些特殊的場合，比如航天領(lǐng)域。</p><p>　　（3）功率電路簡單可靠</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向只與各相通電順序有關(guān)，而和繞組電流的方向無關(guān)，即只需要單方向繞組電流，故功率電路可以做到每相一個功率開關(guān)。對比感應(yīng)電動機(jī)繞組需流過雙向電流，向其他供電的PWM變頻器中功率電路每相需兩個功率元件。因此開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)較PWM變頻器功率電路中所需的功率元件少，電路結(jié)構(gòu)點單，另外

24、，感應(yīng)電動機(jī)PWM變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關(guān)直接跨接在直流電源側(cè)，易發(fā)生直通短路燒毀功率元件。而開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個功率元件均直接與電動機(jī)繞組相串聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象，因此開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中功率電路的保護(hù)電路可以簡化，即降低了成本，又具有較高的工作可靠性。</p><p>　?。?）起動轉(zhuǎn)矩高，啟動電流小</p><p>　　控制器從電源側(cè)吸收較少的起動電流，在

25、電機(jī)側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一大特點。典型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)是：起動電流為15%額定電流時獲得起動轉(zhuǎn)矩為100%的額定轉(zhuǎn)矩；起動電流為額定值的30%時，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定值150%。對比其他調(diào)速系統(tǒng)的起動特性，如直流電動機(jī)100%起動電流，獲得100%起動轉(zhuǎn)矩；鼠籠感應(yīng)電動機(jī)為300%的起動電流，獲得100%的起動轉(zhuǎn)矩。起動電流小起動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點還可以延伸到低速運行段，因此該系統(tǒng)十分適合那些需要重載起動和較長時間低速重載運行

26、的機(jī)械，如電動車輛。</p><p>　　可控參數(shù)多，調(diào)速性能好</p><p>　　控制開關(guān)磁阻電機(jī)的主要運行參數(shù)和常用方法有：開通角，電流PWM，電壓PWM等?？煽貐?shù)多，意味著控制靈活方便，可以根據(jù)對電動機(jī)的運行要求和電動機(jī)的情況，采用不同的控制方法和參數(shù)值，既可以使之運行于最佳狀態(tài)（如最大出力、效率最高等），還可以使之實現(xiàn)各種不同的功能和特性曲線。如使電動機(jī)具有完全相同的四象限運行

27、能力，并具有高速起動轉(zhuǎn)矩和串激電動機(jī)的負(fù)載能力曲線。</p><p>　?。?）適用于頻繁啟動、停車以及正反轉(zhuǎn)運行</p><p>　　開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有的高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流的特點，使之在起動過程中電流沖擊小，電動機(jī)和控制器發(fā)熱與連續(xù)額定運行時相比還小。可控參數(shù)多使之能在制動運行同電動運行具有同樣優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。二者綜合作用的結(jié)果必然使之適用于頻繁啟動、停車以及正

28、反轉(zhuǎn)運行，次數(shù)可達(dá)1000次/小時。</p><p><b>　　效率高，損耗小</b></p><p>　　開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種非常高效的系統(tǒng)。這是因為一方面電動機(jī)轉(zhuǎn)子上無繞組，沒有銅耗，另一方面電動機(jī)可控參數(shù)多，靈活方便，易于在寬轉(zhuǎn)速范圍和不同負(fù)載下實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。其系統(tǒng)效率在很寬范圍內(nèi)都在87%以上，這是其他一些調(diào)速系統(tǒng)不容易達(dá)到的。將該系統(tǒng)和PWM變

29、頻器帶鼠籠感應(yīng)電動機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行比較。該系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)載下效率均比變頻器系統(tǒng)高，一般要高5%左右。</p><p>　　開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，兼有直流傳動和普通交流傳動的優(yōu)點，以向各種傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)挑戰(zhàn)的勢頭正在逐步應(yīng)用在家用電器、一般工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電動機(jī)、高速電動機(jī)、航天器械以及汽車輔助設(shè)備等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的市場競爭力。</p><p>　　開關(guān)

30、磁阻電動機(jī)由于具有串勵直流電動機(jī)的特性，因此在發(fā)展的初期主要應(yīng)用在電力機(jī)車的牽引上。隨著進(jìn)一步的發(fā)展，開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將逐漸占據(jù)電氣傳動市場。另外，對于低壓、小功率的應(yīng)用場合，開關(guān)磁阻電動機(jī)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的異步電動機(jī)和直流電動機(jī)。例如使用開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇、泵類、壓縮機(jī)等，可以在寬廣的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率的運行，且節(jié)能明顯，可以在短期內(nèi)收回成本。經(jīng)濟(jì)型小功率開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有廣闊的市場，尤其是在家用電器方面的應(yīng)用。</

31、p><p>　　1.3 當(dāng)前的主要研究熱點和發(fā)展方向</p><p>　　開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同樣也存在一些自身的不足和缺點，這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　?。?）系統(tǒng)采用的是磁阻式電動機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換密度低于電磁式電動機(jī)。</p><p>　?。?）開關(guān)磁阻電動機(jī)運行時轉(zhuǎn)矩脈動較大，通常轉(zhuǎn)矩脈動的典型值為±15%，由轉(zhuǎn)

32、矩脈動導(dǎo)致的噪聲問題以及待定頻率下的諧振問題也較為突出。</p><p>　?。?）開關(guān)磁阻電動機(jī)相數(shù)越多，主接線數(shù)越多。</p><p>　?。?）系統(tǒng)運行需要電動機(jī)位置信號的反饋，而位置傳感器的引入使電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試?yán)щy。電動機(jī)和控制器之間的連線增加，而且位置傳感器的分辨率有限，使系統(tǒng)的運行性能下降。</p><p>　　（5）籠型異步電動機(jī)可以直接接入

33、電網(wǎng)穩(wěn)定運行，可以沒有控制環(huán)節(jié)，而開關(guān)磁阻電動機(jī)必須配合控制器才能穩(wěn)定工作。</p><p>　　針對上述缺點，國內(nèi)外對開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)做了進(jìn)一步的研究，研究的方向有：</p><p>　　進(jìn)一步完善開關(guān)磁阻電動機(jī)的設(shè)計理論，建立一套效率高、適用于工程設(shè)計要求的優(yōu)化設(shè)計法。</p><p>　　加強(qiáng)對鐵心損耗理論的研究。</p><p>

34、;　　加強(qiáng)對轉(zhuǎn)矩脈動及噪聲的理論研究，提高電機(jī)的功率因數(shù)。</p><p>　　改善電機(jī)靜態(tài)及動態(tài)性能仿真模型。</p><p>　　完善開關(guān)磁阻電動機(jī)、功率變換器及控制器三者之間的協(xié)調(diào)設(shè)計。</p><p>　　實用無位置傳感器方案的研究。</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動最小化技術(shù)。</p><p>　　1

35、．4本課題主要工作 </p><p>　　基于優(yōu)良的性能特點，研究開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文在以前研究工作的基礎(chǔ)上，研究小功率開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計一個開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)控制器。</p><p>　　論文的主要工作包括以下幾個方面： </p><p>　　1．介紹開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展、基本特點和應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向； </p&g

36、t;<p>　　2．從理論方面深入研究分析開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運行原理； </p><p>　　3．研究開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成、控制方法和運行原理； </p><p>　　4．功率變換器電路設(shè)計和驅(qū)動系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計； </p><p>　　5．編寫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程，實現(xiàn)控制策略；</p><p>　　第二章 開關(guān)磁

37、阻電機(jī)的基本理論分析</p><p>　　2．1開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成 </p><p>　　開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種新型機(jī)電一體化交流調(diào)速系統(tǒng)，主要由四部分組成：開關(guān)磁阻電動機(jī)、功率變換器、控制器和檢測器,如圖2-1所示。 </p><p>　　圖2-1 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(SRD)框圖</p><p>　　SR電動機(jī)是SR系統(tǒng)

38、中實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，其結(jié)構(gòu)和工作原理都與傳統(tǒng)電機(jī)有較大的差別。 </p><p>　　2．功率變換器是SRD系統(tǒng)能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，是影響系統(tǒng)性能價格比的主要因素，起控制繞組開通與關(guān)斷的作用。由于SR電機(jī)繞組電流是單向的，使得功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的，可以避免直通短路危險。 SR電機(jī)的功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式與供電電壓、電動機(jī)相數(shù)及主開關(guān)器件的種類有關(guān)。 </p&

39、gt;<p>　　3．控制器是SRD系統(tǒng)的核心部分，其作用是綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的通斷，實現(xiàn)對SR電動機(jī)運行狀態(tài)的控制。 </p><p>　　4．檢測單元由位置檢測和電流檢測環(huán)節(jié)組成，提供轉(zhuǎn)子的位置信息以決定各項繞組的開通與關(guān)斷，提供電流信息來完成電流斬波控制或采取相應(yīng)的保護(hù)措施以防止過電流。</p><p

40、>　　2．2開關(guān)磁阻電動機(jī)結(jié)構(gòu)與運行原理 </p><p>　　SR電動機(jī)的運行遵循“磁阻最小原理”——磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子某相繞組通電時，所產(chǎn)生的磁場由于磁力線扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，試圖使相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其軸線與該定子極軸線對齊的位置，即磁阻最小位置。</p><p>　　圖2-2 SR電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　下面以三相12／

41、8極開關(guān)磁阻電動機(jī)為例，來說明開關(guān)磁阻電動機(jī)的運行機(jī)理。 如圖2-2所示，圖中只畫出了A相繞組及供電線路，其他各相與之相同。其中S1、S2是功率電子開關(guān)，D1、D2是二極管，E是直流電源。當(dāng)定子A相磁極軸線OA與轉(zhuǎn)子磁極軸線Oa不重合時，開關(guān)Sl、S2合上，A相繞組通電，電動機(jī)內(nèi)建立起以O(shè)A為軸線的徑向磁場，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁導(dǎo)小于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時的磁導(dǎo)，因

42、此，轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子磁極的軸線Oa向定子A相磁極軸線OA趨近。當(dāng)OA和Oa軸線重合時，轉(zhuǎn)子已達(dá)到平衡位置，即當(dāng)A相定、轉(zhuǎn)子極對極時，切向磁拉力消失，轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動。此時打開A相開關(guān)S1、S2，合上B相開關(guān)，即在A相斷電的同時B相通電，建立以B相定子磁極為軸線的磁場，電動機(jī)內(nèi)磁場沿順時針方向轉(zhuǎn)過，轉(zhuǎn)子在磁場磁拉力的作用下繼續(xù)沿著逆時針方向轉(zhuǎn)過。依此類推，定子繞組A-B-C三相輪

43、流通電一次，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動了一個轉(zhuǎn)子極距，對于三相1 2／8極開關(guān)磁阻電動機(jī)，，定子磁極產(chǎn)生的磁場軸線則</p><p>　　綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：SR電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向總是逆著磁場軸線的移動方向，改變SR電動機(jī)定子繞組通電順序，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向；而改變通電相電流的方向，并不影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向。另外，當(dāng)主開關(guān)器件S1、S2導(dǎo)通時，A相繞組從直流電源E吸收電能，而當(dāng)主開關(guān)器件S1、S2關(guān)斷時，繞組電流經(jīng)過

44、續(xù)流二極管D1、D2繼續(xù)流通，并回饋給電源E，因此開關(guān)磁阻電動機(jī)傳動系統(tǒng)的共性特點是具有再生作用，系統(tǒng)效率高。</p><p>　　2．3 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本方程</p><p>　　SR 電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)比較簡單，但由于電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、渦流與磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機(jī)運行期間的開關(guān)性和可控性，使得電機(jī)的各個物理量隨轉(zhuǎn)子位置周期性變化，定子繞組的電流和磁通波形極不規(guī)

45、則，難以簡單地用傳統(tǒng)電機(jī)的分析方法解析計算。</p><p>　　不過，SR電機(jī)內(nèi)部的電磁過程仍然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律等基本的電磁定律之上，由此可以寫出SR電機(jī)的基本方程式。但基本方程式的求解是一項比較困難的工作。</p><p>　　對SR電機(jī)基本方程的求解有線性模型、準(zhǔn)線性模型和非線性模型三種方法。線性模型法是在一系列簡化條件下導(dǎo)出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流的解析計算式，雖然精度較低，

46、但可以通過解析式了解電機(jī)工作的基本特性和各參數(shù)之間的相互關(guān)系，并可作為深入探討各種控制方法的依據(jù)，基于此，接下來簡單介紹一下開關(guān)磁阻電機(jī)的基本方程。</p><p><b>　?。?）電壓方程</b></p><p>　　根據(jù)電磁感應(yīng)定律，施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢作用之和，第k相繞組電壓方程：</p><p&

47、gt;<b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中：——第k相繞組的端電壓</p><p>　　——第k相繞組的電阻</p><p>　　——第k相繞組的電流</p><p>　　——第k相繞組的磁鏈</p><p><b>　　（2）磁鏈方程</b></p

48、><p>　　SR電機(jī)各相繞組的磁鏈?zhǔn)潜鞠嗬@組的相電流與電感、其余各相繞組相電流與互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，但對于SR電機(jī)的自感而言，各相繞組之間的互感相對比較小。根據(jù)線性化分析法，在計算過程中，忽略SR電機(jī)中各相繞組間互感。那么可得磁鏈方程為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　由于SR電機(jī)磁路的非線性，所以每相

49、電感是相電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，將(2-2)代入(2-1)中可得：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由公式(2-3)表明，電源的電壓可分為三部分壓降。在公式(2-3)的等式右端第一項表示第k相回路的電阻壓降：第二項表示由電流變化引起的磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，也稱作為變壓器電動勢；第三項表示由轉(zhuǎn)子位置變化引起繞組中磁鏈變化而感應(yīng)的電動

50、勢，也稱作為運動電動勢。</p><p><b>　?。?）機(jī)械運動方程</b></p><p>　　SR電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下，根據(jù)牛頓運動定律，則可以寫出轉(zhuǎn)子的機(jī)械運動方程為: </p><p>　?。?-4） </p><p>　　式中：——電磁轉(zhuǎn)矩。</p&g

51、t;<p>　　——系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p><b>　　——摩擦系數(shù)。</b></p><p><b>　　——負(fù)載轉(zhuǎn)矩。</b></p><p><b>　?。?）轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　SR電機(jī)內(nèi)的電磁轉(zhuǎn)矩，可以通過磁共能和對轉(zhuǎn)子位置角

52、的關(guān)系表達(dá)，其具體方程為：</p><p>　　（2-5） </p><p>　　式中 ——繞組的磁共能</p><p>　　2.4 基于理想線性模型的SR電動機(jī)分析</p><p>　　2.4.1 SR電機(jī)的相電感模型</p><p>　　由前面所述可知，SR電

53、動機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系非常復(fù)雜，所以很難準(zhǔn)確計算出電機(jī)磁路的關(guān)系。本文為了弄清楚電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，對電機(jī)進(jìn)行線性模式分析。假設(shè)不計電機(jī)磁路飽和的影響，繞組的電感與電流大小也無關(guān)，并忽略磁通的邊緣效應(yīng)和所有的功率損耗，這樣得到的相電感即是理想的相電感，其理想化的相電感隨轉(zhuǎn)子位置角變化的規(guī)律如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3定、轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置與相繞組電感曲線</p><p>　　在圖2

54、-3中，令定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置為=0的位置。此時的相電感是最小值在范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極不重疊，相電感始終保持為最小值，這時磁阻是最大的。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到位置后，轉(zhuǎn)子凸極的前沿開始與定子凸極的后沿對齊。此后，轉(zhuǎn)子和定子開始隨著轉(zhuǎn)子角的增加而部分重疊，相電感開始線性地增加，直到位置為止，這時轉(zhuǎn)子凸極的前沿與定子凸極的前沿對齊。因為轉(zhuǎn)子與定子凸極完全重合，所以這時相電感達(dá)到最大值，但磁阻最小，這種情況一直保持到的位置。是轉(zhuǎn)子凸極

55、的后沿與定子凸極的后沿對齊的位置，轉(zhuǎn)過后，轉(zhuǎn)子和定子開始隨著轉(zhuǎn)子角的增加而部分錯開，相電感開始線性地下降，直到轉(zhuǎn)子凸極的后沿與定子凸極的前沿對齊，即到位置。隨后，轉(zhuǎn)子凹槽開始進(jìn)入定子凸極區(qū)域，相電感重新減到最小值，磁阻最大。以此類推進(jìn)行循環(huán)。其理想化的相電感與轉(zhuǎn)子位置角的線性方程式為：</p><p>　　（2-6） 式中，——定子磁極弧。</p>&

56、lt;p>　　2.4.2 SR電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩</p><p>　　在理想的線性模型中，如果假設(shè)SR電機(jī)的磁路不飽和，則有：</p><p>　?。?-7） </p><p>　　從而得出電磁轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　?。?-8） </b></p><p>　　將電感與位

57、置角的線性方程代入(2．8)，可得：</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p>　　通過(2-9)式，我們可以得出如下結(jié)論：</p><p>　　（1）由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時氣隙磁導(dǎo)變化的發(fā)生，從而產(chǎn)生了SR電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，電感對位置角的變化率越大，轉(zhuǎn)矩就越大。還可以得出，SR電機(jī)的轉(zhuǎn)子數(shù)越少，越可以增大電感對位置角的變化率，也就

58、有利于增大電機(jī)的出力。</p><p>　　（2）從式中可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比。因此可以通過增大電流的大小直接增大SR電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　?。?）在電感曲線的上升階段通電時，旋轉(zhuǎn)電動勢為正，繞組的電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩；在電感的最大階段通電，旋轉(zhuǎn)電動勢為零，如果繞組在這個區(qū)域有電流流過，只能回饋給電源，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；在電感曲線的下降階段通電，因旋轉(zhuǎn)電動勢為負(fù)，從

59、而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。因此，可以通過改變繞組的通電時間來改變轉(zhuǎn)矩的方向，而改變電流的方向不會改變轉(zhuǎn)矩的方向。</p><p>　　（4）為了得到較大的電磁轉(zhuǎn)矩，一方面，在繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置上升區(qū)域應(yīng)盡可能地流過較大的電流，所以開通角一般要設(shè)計在之前；另一方面，為了能減少制動轉(zhuǎn)矩，即在繞組電感開始隨轉(zhuǎn)子位置減少之前應(yīng)盡快使繞組電流衰減到零，所以關(guān)斷角一般要設(shè)計在之前，本文中關(guān)斷角取，即電感上升區(qū)域的中間位置。</p

60、><p>　　2.5 考慮磁路飽和時SR電動機(jī)的分析</p><p>　　基于非線性模型的SR電動機(jī)分析十分復(fù)雜，必須借助數(shù)值算法（包括電磁場有限元分析、數(shù)字仿真等方法）實現(xiàn)。為了避免繁瑣的計算，又近似考慮磁路的飽和效應(yīng)，常借助準(zhǔn)線性模型：將實際非線性磁化曲線作分段線性的近似處理，且忽略磁耦合的影響。</p><p>　　分段線性化的方法有多種。圖2-4為SR電動機(jī)分析

61、中常用的一種準(zhǔn)線性模型的磁化曲線，即用兩段線性特性來近似一系列非線性磁化曲線。其中一段為磁化特性的非飽和段，其斜率為電感的不飽和值；另一段為飽和段，可視為與=0位置的磁化曲線平行，斜率為。圖中的是根據(jù)對齊位置下磁化曲線決定的，一般定在磁化曲線開始彎曲處。</p><p>　　圖2-4 分段線性磁化曲線</p><p>　　基于圖2-4的SR電動機(jī)準(zhǔn)線性模型，寫出繞組電感L（i，）的分段解析

62、式為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　式中，——定子磁極弧。</p><p>　　利用磁化曲線算出磁共能，然后對轉(zhuǎn)子位置角求導(dǎo)數(shù)，即可算出電磁轉(zhuǎn)矩：</p><p><b>　　（2-11）</b></p><p>　　由于SRD系統(tǒng)的

63、控制模式不同，相電流波形不同，統(tǒng)一的SR電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩解析式難以得到。在相電流為理想平頂波的情況下，SR電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩的解析式為：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　上述基于準(zhǔn)線性模型的計算方法多用于分析計算功率變換器和控制策略中。從式（2-11）可以看出：當(dāng)SR電動機(jī)運行在電流值很小的情況下時，磁路不飽和，電磁轉(zhuǎn)矩與電流平方成

64、正比；當(dāng)運行在飽和情況下時，電磁轉(zhuǎn)矩與電流的一次方成正比。這個結(jié)論可以作為制定控制策略的依據(jù)。</p><p>　　從式（2-12）可以看出：當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)一旦確定，相數(shù)m和轉(zhuǎn)子齒極數(shù)就固定了，電磁轉(zhuǎn)矩由外施電壓、角速度、開通角和關(guān)斷角決定?；诖?，本設(shè)計采用如下策略：</p><p>　　在低速運行時，為了限制繞組電流不超過允許值，可以調(diào)節(jié)外施電壓、開通角和關(guān)斷角三個控制量。為了在基速以

65、下獲得恒轉(zhuǎn)矩特性，則可以固定開通角和關(guān)斷角，通過斬波控制外施電壓。即低速時本設(shè)計采用電流斬波控制（CCC）。</p><p>　　在基速以上、第二臨界轉(zhuǎn)速以下，可以保持外施電壓不變，通過調(diào)節(jié)開通角和關(guān)斷角獲得恒功率特性。也即采用角度位置控制(APC)。</p><p>　　2.6 SR電機(jī)的基本控制方式</p><p>　　(一)、角度位置控制</p>

66、<p>　　角度控制就是對決定SR電機(jī)性能的兩個主要控制參數(shù)開通角和關(guān)斷角進(jìn)行最優(yōu)控制。通過改變開通角和關(guān)斷角，可實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩性質(zhì)、大小和相電流波形的最優(yōu)控制，從而最佳地調(diào)節(jié)SRM的效率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向。在假設(shè)轉(zhuǎn)速、母線電壓不變的情況下，固定并調(diào)節(jié)隨著的增加，開通電流時間增加；同理，當(dāng)固定，調(diào)節(jié)，隨著的減小，開通電流時間增加。并且調(diào)節(jié)，相電流的改變更加顯著。</p><p>　　(二)、電流斬波控制

67、</p><p>　　電流斬波控制就是保持開通角和關(guān)斷角不變，通過給定的允許電流上限幅值和下限幅值來控制有效電壓的導(dǎo)通時間。開通角位置功率電路開關(guān)器件導(dǎo)通，繞組電流從O開始上升，當(dāng)電流超過指令值達(dá)到電流上限值時，開關(guān)器件關(guān)斷切斷繞組電流，繞組承受反壓，電流快速下降。經(jīng)一段時間后，電流低于指令值達(dá)到電流下限值時，重新使開關(guān)器件導(dǎo)通，繞組在正向電壓作用下電流又開始回升，不斷重復(fù)這一過程，則形成斬波電流波形，直至關(guān)斷角

68、位置功率開關(guān)器件關(guān)斷，電流衰減至0，SRM進(jìn)行換向，對換向后的繞組仍然采用電流斬波控制。</p><p>　　(三)、電壓斬波控制</p><p>　　電壓斬波控制是SRM在低速運行時，利用電壓PWM控制器對繞組采樣電流</p><p>　　與指令電流進(jìn)行跟蹤控制。開通角位置功率電路開關(guān)器件按最大占空比導(dǎo)通，繞組電流從0開始上升，當(dāng)電流超過指令值時，通過PID調(diào)解器

69、或其他控制算法減小開關(guān)器件導(dǎo)通的占空比，使繞組電流減小并接近指令電流；當(dāng)繞組電流小于指令電流時，再增大開關(guān)器件導(dǎo)通的占空比，使繞組電流又開始增長并接近指令電流，以后不斷重復(fù)這一過程，形成電壓斬波控制，直至關(guān)斷角位置功率開關(guān)器件完全關(guān)斷，電流衰減至0，SRM換向，對換向后的繞組仍采用電壓斬波控制。</p><p>　　2.7 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體方案的確定</p><p>　　根據(jù)開關(guān)磁

70、阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成可以得到SRD控制系統(tǒng)的原理圖，如下圖2-5所示.</p><p>　　SRD系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差(給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差)給出電流參考值，電流參考值與電流反饋值通過電流調(diào)節(jié)器輸出的信號和換相邏輯信號進(jìn)行邏輯“與"后輸出的信號來控制功率變換器的開通與關(guān)斷，通過調(diào)壓開關(guān)對電機(jī)各相繞組供電電源平均值的控制來實現(xiàn)調(diào)速。換相邏輯是通過電機(jī)轉(zhuǎn)角和給定

71、開通角、關(guān)斷角來決定的。</p><p>　　圖2-5 SRD控制系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　綜上所述,本設(shè)計采用電流調(diào)節(jié)和控制方式相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法，在低速時采用電流斬波控制，此時電流閉環(huán)；高速時采用角度位置控制即單脈沖控制，此時電流開環(huán)。</p><p>　　第三章 小功率開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p>　　本課題設(shè)計

72、的4kW開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要分為兩大部分：即功率變換器電路的設(shè)計和驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。功率變化器電路設(shè)計包括功率變換器主電路設(shè)計及功率元件定額選型、功率變換器主開關(guān)器件驅(qū)動電路設(shè)計及緩沖電路設(shè)計。驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計以ATMEL公司的單片機(jī)AT89C51和電機(jī)智能控制模塊MCSRD9800為控制核心，包括控制核心單片機(jī)AT89C51的資源分配和外圍電路設(shè)計、電機(jī)智能控制模塊MCSRD9800的使用、位置檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計、電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計

73、、D／A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、驅(qū)動控制信號的邏輯綜合以及單片機(jī)最小電路設(shè)計。本章將按以上部分詳細(xì)介紹4kW開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計。 </p><p><b>　　3.1樣機(jī)的參數(shù) </b></p><p>　　本設(shè)計使用的樣機(jī)是一臺三相12／8極開關(guān)磁阻電動機(jī)，電動機(jī)的主要參數(shù)如下：額定功率4kW，額定電壓513V，額定轉(zhuǎn)速1000r／min，額定工況下繞組的平均電

74、流5A，有效值電流9A，峰值電流19A。整套系統(tǒng)的設(shè)計都是以這些參數(shù)為基礎(chǔ)的。</p><p>　　3.2功率變換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　3.2.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹</p><p>　　SRD的功率變換器電路結(jié)構(gòu)有多種，不同結(jié)構(gòu)電路的主開關(guān)器件數(shù)量與定額、能量回饋方式及適用場合均不同。功率變換器常見的主電路形式如下：</p><p&g

75、t;　　(1) 雙開關(guān)型主電路</p><p>　　如圖3-1所示，雙開關(guān)型功率變換器每相有兩只主開關(guān)和兩只續(xù)流二極管。當(dāng)兩只主開關(guān)VT1和VT2同時導(dǎo)通時，電源Us向電機(jī)相繞組供電；當(dāng)VT1和VT2同時關(guān)斷時，相電流沿圖中箭頭方向經(jīng)續(xù)流二極管VD1和VD2續(xù)流，將電機(jī)的磁場儲能以電能形式迅速回饋電源，實現(xiàn)強(qiáng)迫換相。</p><p>　　這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點：一是開關(guān)器件電壓容量要求比較低，

76、特別適合于高壓和大容量場合；二是各相繞組電流可以獨立控制，且控制簡單。缺點是開關(guān)器件數(shù)量較多。</p><p>　　圖3-1 雙開關(guān)型主電路</p><p>　　圖3-2 雙繞組型主電路</p><p>　　(2) 雙繞組型主電路</p><p>　　圖3-2為雙繞組型主電路，每相均有主、副兩個繞組。主開關(guān)VT1導(dǎo)通時，電源對主繞組供電，形成

77、圖示實線箭頭方向的電流；當(dāng)VT1關(guān)斷時，靠磁耦合將主繞組的電流轉(zhuǎn)移到副繞組，通過二極管VD1續(xù)流（續(xù)流電流方向為圖中虛線箭頭方向），向電源回饋電能，實現(xiàn)強(qiáng)迫換相。為了保證主、副繞組之間緊密耦合，通常主、副繞組是雙線并繞而成，同名端反接，其匝數(shù)比為1:1。</p><p>　　雙繞組型功率變換器電路簡單，每相只有一個開關(guān)管，開關(guān)元件少，這是它最大的優(yōu)點。但是主開關(guān)除了要承受電源電壓外，還要承受副繞組（續(xù)流時）的互感

78、電動勢。如設(shè)主、副繞組的匝數(shù)比為1:1，并認(rèn)為它們完全耦合，則主開關(guān)的額定工作電壓應(yīng)為2Us。實際上，主、副繞組之間不可能完全耦合，致使在VT1關(guān)斷瞬間，因漏磁及漏感作用，其上會形成較高的尖峰電壓，故VT1需要有良好的吸收回路才能安全工作。另外，由于采用主、副兩個繞組，電機(jī)槽及銅線利用率低，銅耗增加，體積增大。</p><p>　　這種主電路可適用于任意相數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)，尤其適宜于低壓直流電源（如蓄電池）供電的

79、場合。</p><p>　　(3) 電容分壓型主電路</p><p>　　電容分壓型主電路也叫電容裂相型主電路或雙電源型主電路，是四相SRM廣泛采用的一種功率變換器電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。這種結(jié)構(gòu)的功率變換器每相只需要一個功率開關(guān)器件和一個續(xù)流二極管，各相的主開關(guān)器件和續(xù)流二極管依次上下交替排布；電源Us被兩個大電容C1和C2分壓，得到中點電位U0≈1/2Us（通常C1=C2），四

80、相繞組的一端共同接至電源的中點。</p><p>　　在這種電路中，SRM采用單相通電方式，當(dāng)上橋臂的開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，A相繞組從電容C1吸收電能；當(dāng)VT1斷開時，則VD1導(dǎo)通，A相繞組的剩余能量回饋給電容C2。而當(dāng)下橋臂VT2導(dǎo)通時，繞組B從C2吸收電能；當(dāng)VT2斷開時，B相繞組的剩余能量經(jīng)VD2回饋給C1。因此，為了保證上、下兩個電容的工作電壓對稱，該電路僅適用于偶數(shù)相SRM。由于采用電容分壓，加到電機(jī)繞組

81、兩端的電源電壓為1/2Us，電源電壓的利用率降低。在同等功率情況下，主開關(guān)器件的工作電流為雙開關(guān)型 </p><p>　　圖3-3 電容分壓型主電路</p><p>　　電路中功率器件的兩倍。而每個主開關(guān)器件和續(xù)流二極管的額定工作電壓為Us+△U（△U是換相引起的瞬時電壓）。</p><p>　　電容分壓型功率變換器電路有以下特點：<

82、/p><p>　?、倜肯嘀挥靡粋€主開關(guān)，功率器件少，結(jié)構(gòu)最簡單；</p><p>　?、陔姍C(jī)的相數(shù)必須是偶數(shù)，上下兩路負(fù)載必須均衡；</p><p>　?、墼趯嶋H工作時，由于分壓電容不可能很大，中點電位是波動的。在低速時波動尤為明顯，甚至可能導(dǎo)致電機(jī)不能正常工作；</p><p>　?、苄枰w積大、成本高的高壓大電容；</p>&l

83、t;p>　　⑤電源電壓的利用率低，適用于電源電壓較高的場合。</p><p>　　(4) H橋型主電路</p><p>　　如圖3-4所示，H橋型主電路比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩個串聯(lián)的分壓電容，換相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間上、下橋臂必須各有一相導(dǎo)通。本電路特有的優(yōu)點是可以實現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制

84、性能。</p><p>　　H橋型主電路只適用于四相或四的倍數(shù)相SRM，它也是四相SRM廣泛采用的一種功率變換器主電路形式。實際上，四相電容分壓型主電路采用兩相導(dǎo)通方式時，其工作情況和H橋型主電路是相同的。</p><p>　　圖3-4 H橋型主電路</p><p>　　圖3-5 三相公共開關(guān)型主電路</p><p>　　(5) 公共開關(guān)型主

85、電路</p><p>　　圖3-5所示的電路是公共開關(guān)型功率變換器主電路，除每相各自有一個主開關(guān)外，各相還有一個公共開關(guān)VT。公共開關(guān)對供電相實施斬波控制，當(dāng)VT和VT1同時導(dǎo)通時，電源向A相繞組供電；當(dāng)VT1導(dǎo)通、VT關(guān)斷時，A相電流經(jīng)VD續(xù)流；當(dāng)VT和VT1都關(guān)斷時，電源通過VD和VD1反加于A相繞組兩端，實現(xiàn)強(qiáng)迫續(xù)流換相；若VT導(dǎo)通，VT1關(guān)斷時，相電流將經(jīng)VD1續(xù)流，因A相繞組兩端不存在與電源供電電壓反極

86、性的換相電壓，不利于實現(xiàn)強(qiáng)迫換相。</p><p>　　具有公共開關(guān)器件的功率變換器電路，有一只公共開關(guān)管在任一相導(dǎo)通時均開通，一只公共續(xù)流二極管在任一相續(xù)流時均參與。該電路所需開關(guān)器件和二極管數(shù)量較雙開關(guān)型電路大大減少，可適于相數(shù)較多的場合，其造價明顯降低。但相數(shù)太多，公共開關(guān)管的電流定額和功率定額都大大增加，若其損壞，將導(dǎo)致各相同時失控。</p><p>　　根據(jù)上述的功率變換器主電路

87、的選用依據(jù)和原則，并針對本文所研究的三相(12/8)開關(guān)磁阻電機(jī)，系統(tǒng)功率變換器采用三相公共開關(guān)型主電路。</p><p>　　3.2.2功率電路的設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計系統(tǒng)中功率變換器主電路電源是由三相交流380V經(jīng)過整流得到的直流電源，再經(jīng)過并聯(lián)的大穩(wěn)壓濾波電容給開關(guān)磁阻電機(jī)各相繞組供電；功率變換器的主開關(guān)器件VT、VT1、VT2、VT3選用的是功率MOSFET；各相的續(xù)流二

88、極管VD、VD1、VD2、VD3均采用快恢復(fù)二極管。 </p><p>　　圖3-6 三相公共開關(guān)型主電路</p><p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器主開關(guān)器件的選擇與電機(jī)的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)；另外還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易、開關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性、峰值電流定額和有效值電流定額的比值大小及市場普及性等有關(guān)。本系統(tǒng)的三相公共開關(guān)型功率變換器主電路中主開關(guān)

89、元器件選擇功率MOSFET。一般開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在寬廣的運行區(qū)域其相電流峰值與有效值之比的變化范圍為2：l～3：1，功率MOSFET的額定峰值電流與額定有效值電流的比值高，一般為4：l，并且價格比較便宜，所以特別適合應(yīng)用在小功率的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。 </p><p>　　本文設(shè)計的4kW開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的額定工作電壓為513V，系統(tǒng)電源是由三相交流380V經(jīng)過整流，再經(jīng)過并聯(lián)的大電容穩(wěn)壓濾波得到的直

90、流電源。</p><p>　　整流輸出的直流電壓峰值為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　其平均值為：</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　在本設(shè)計中選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電

91、路中，主開關(guān)管功率MOSFET承受的電壓最大值等于直流電源電壓的最大值，考慮到2倍的電壓裕量，則主開關(guān)器件的耐壓定額為： </p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　在該功率變換器主電路中，主開關(guān)器件導(dǎo)通時，續(xù)流二極管在外電源作用下反偏截止，所以續(xù)流二極管最小反向峰值電壓額定值與主開關(guān)器件的電壓額定值相同。應(yīng)該指出，功率變換器中所用續(xù)流二極管

92、必須正向?qū)ê头聪蚪刂咕哂锌旎謴?fù)特性。正向恢復(fù)特性能保證主開關(guān)器件斷開時，相電流迅速從主開關(guān)器件轉(zhuǎn)換到二極管續(xù)流；而反向快恢復(fù)特性則能保證二極管以足夠快的速度從導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，以免轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子電氣位置周期，主開關(guān)器件復(fù)又導(dǎo)通而順勢造成電源短路。特別是開關(guān)磁阻電機(jī)高速運行和以較高斬波頻率進(jìn)行電流斬波控制方式運行時，允許續(xù)流二極管反向恢復(fù)時間較短，反向快恢復(fù)特性尤為重要。為此，均選用快恢復(fù)二極管作為續(xù)流二極管。 </p>

93、<p>　　開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器中主開關(guān)器件的電流定額有兩種：一是體現(xiàn)電流脈沖作用的定額，即峰值電流定額；二是體現(xiàn)電流連續(xù)作用的定額，即有效值電流定額。采用功率MOSFET作為主開關(guān)器件，有效值電流定額將是決定功率變換器容量的主要參數(shù)。對于二極管而言，因其能承受較大的沖擊電流，一般亦以有效值電流定額作為選型依據(jù)。取開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的效率為86.5％，則額定工況時開關(guān)磁阻電機(jī)繞組電流的有效值為：</p>&l

94、t;p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　因為開關(guān)磁阻電機(jī)啟動能力強(qiáng)，盡管啟動轉(zhuǎn)矩可大大超過額定轉(zhuǎn)矩，但啟動電流卻可做到小于額定電流，一般起動電流為15％額定電流時即可獲得起動轉(zhuǎn)矩為100％的額定轉(zhuǎn)矩，因此在確定主開關(guān)器件電流定額時，只要考慮到額定運行時的一定過載倍數(shù)(一般選為2)即可，則主開關(guān)器件的有效值電流定額為：</p><p><

95、b>　　(3-5)</b></p><p>　　因續(xù)流二極管承受沖擊電流的能力強(qiáng)，其電流定額一般可取與相同的數(shù)值。根據(jù)估算得到的各元器件電壓、電流定額，考慮到一定的安全系數(shù)以及4kW開關(guān)磁阻電機(jī)的參數(shù)要求，同時考慮到市場情況，本設(shè)計系統(tǒng)中選用的主要器件具體選型如下表3-1所示。</p><p><b>　　表3-1主要器件表</b></p>

96、;<p>　　3.2.3功率變換器的驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　功率MOSFET是電壓控制型器件，輸入阻抗為純?nèi)菪裕杩怪岛芨?～數(shù)量級)，驅(qū)動時只需要對輸入電容充電或放電，所需驅(qū)動功率很小，驅(qū)動電路簡單，甚至可以用集成電路的輸出直接驅(qū)動。目前，供MOSFET使用的驅(qū)動電路形式多種多樣，各自的功能也不盡相同。在本設(shè)計中采用日本東芝公司生產(chǎn)的專用集成驅(qū)動芯片TLP250來驅(qū)動功率MOSFET。&

97、lt;/p><p>　　圖3-7 TLP250內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　TLP250包含一個GaAlAs光發(fā)射二極管和一個集成光探測器，采用8腳雙列封裝結(jié)構(gòu)?？梢灾苯域?qū)動1200V／50A以下的IGBT或功率MOSFET。如圖3-7為TLP250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖，表3-2給出了其工作時的真值表。</p><p>　　表3-2 TLP250工作真值表</p&

98、gt;<p>　　TLP250的典型特征如下：</p><p>　　1)輸入閾值電流(IF)：5mA(最大)；</p><p>　　2)電源電流(ICC)：1lmA(最大)；</p><p>　　3)電源電壓(VCC)：10~35V：</p><p>　　4)輸出電流(IO)：士1．5A(最大)；</p><

99、;p>　　5)開關(guān)時間(tPLH／tPHL)：1．5us(最大)；</p><p>　　6)工作頻率（f）：25kHz；</p><p>　　7)隔離電壓：2500Vpms(最小)。</p><p>　　根據(jù)上述原理及考慮實際計算的參數(shù)，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動電路中的核心芯片TLP250驅(qū)動電路如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8

100、TLP250驅(qū)動電路</p><p>　　如圖所示，標(biāo)號G、S分別接功率MOSFET的柵極和源極；+15V電源正負(fù)極分別接在芯片的8腳VCC和5腳GND上；幅值為+15V的PWM驅(qū)動信號通過R500輸入到TLP250；電容C500為跨接在芯片8腳和5腳之間的0．1uF電容；功率MOSFET驅(qū)動的輸入阻抗很高，且呈純?nèi)菪?，靜態(tài)時不需直流電流，只需對輸入電容進(jìn)行充放電的動態(tài)電流，幾乎不消耗功率，為了改善驅(qū)動脈沖的前后

101、沿陡度和防止振蕩，需在柵極串聯(lián)電阻Rg，由于功率MOSFET的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻將對功率MOSFET的動態(tài)特性將產(chǎn)生極大的影響，在本設(shè)計中，經(jīng)過實驗和計算，最終選取柵極電阻即R506為1l；V518是穩(wěn)壓二極管，用于限制TLP250輸出驅(qū)動電壓的幅值，防止驅(qū)動電壓過高造成功率MOSFET的損壞，系統(tǒng)中采用16V的穩(wěn)壓二極管并接在功率MOSFET的柵、源極之間；為了防止功率MOSFET柵極開路工作，或因

102、為驅(qū)動不良造成的器件損壞，在功率MOSFET的柵、源極之間并接了20K的電阻，即R530。</p><p>　　3．2．4 功率緩沖（吸收）電路設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計采用常用的RCD緩沖電路，如圖3-9所示。緩沖電路跨接在母線電源的正負(fù)極兩端，吸收電路對過電壓的吸收效果與吸收電路中電容和電阻的選擇有著很大的關(guān)系，如果電容和電阻的值選擇不當(dāng)將會削弱吸收電路對過電壓的吸收效果，嚴(yán)重的

103、甚至?xí)陔娐分幸鹫袷帯?lt;/p><p>　　圖3-9 RCD緩沖（吸收）電路</p><p>　　在功率MOSFET器件關(guān)斷過程中，器件中的電流迅速下降，而吸收電路中電流以相同的變化率上升。當(dāng)功率MOSFET器件中電流全部轉(zhuǎn)移到吸收電路以后，主電路寄生電感所儲存的磁場能量將全部轉(zhuǎn)換成吸收電路中吸收電容的電場能量。由于開關(guān)的關(guān)斷過程很短，故假設(shè)關(guān)斷時流過主開關(guān)管的電流線性下降，而流過緩沖電

104、路中的電流線性上升，即有：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　上面兩式中：一關(guān)斷時主開關(guān)管的電流</p><p>　　一關(guān)斷時吸收電容的充電電流</p><p>　　一主開關(guān)管關(guān)斷時的下降時間&

105、lt;/p><p>　　一直流母線電流的有效值</p><p>　　因此，電容兩端的電壓變化值為：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　在時的電容電壓通?？扇殡娫措妷旱?0%到50%，如取</p><p>　　=0．5，關(guān)斷時相電流為9A，IGBT的最快關(guān)斷速度為35

106、0ns。</p><p>　　則： (3-9)</p><p>　　根據(jù)上述計算并保證有一定的安全欲量，最終選取吸收電容為0．1 uF／1600V的CBB電容。吸收電路電阻Rs的選擇是希望功率MOSFET在關(guān)斷信號到來之前，將緩沖器電容所積累的電荷放凈。緩沖電路中R阻值若過大，則C放電時間過慢，在下一次開關(guān)過程中C不能充分發(fā)揮吸收能量

107、的作用。但R過小，在器件導(dǎo)通時，RC放電電流過大、過快，可能危及器件的安全也可能引起振蕩。為此可取開關(guān)器件的工作周期T約等于(1-2)3RC。由上面計算可知吸收電容C為0．1uF／1600V，功率MOSFET的最大開關(guān)頻率為2kHz，可由下式估算得：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　由上式計算得到吸收電阻不應(yīng)大于800歐姆，本系統(tǒng)

108、中選用390歐姆。如果取吸收電容上的電壓變化值=0．5，則電阻上的最大功耗為：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　綜上計算和分析，最終選取電阻為390歐姆3w的功率電阻。由于4KW／513V小功率開關(guān)磁阻電機(jī)的額定有效值電流為9A，并且功率MSOFET不是在峰值電流時關(guān)斷，所以吸收電路中快恢復(fù)二極管采用FR307，F(xiàn)R307的額定電

109、流值為3A，峰值電流為150A，耐壓為1000V。</p><p>　　上述RCD吸收電路的缺點是損耗較大，發(fā)熱量較大。由于電路中雜散電感的估計不夠準(zhǔn)確造成的吸收電路吸收效果的不佳，只能通過不斷實驗的方法來調(diào)整吸收電容大小加以改善。</p><p><b>　　3．3驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計包括控制核心單片機(jī)AT8

110、9C51的資源分配和外圍電路設(shè)計、電機(jī)智能控制模塊MCSRD9800的使用、位置檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計、電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計、驅(qū)動控制信號的邏輯綜合、顯示電路設(shè)計以及單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計等。</p><p>　　3．3．1硬件總體方案的設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-10所示。單片機(jī)的功能包括控制接口，綜合各種保護(hù)信號和給定信息，判斷轉(zhuǎn)子的位置信息，計算轉(zhuǎn)速，同時顯示轉(zhuǎn)速

111、和狀態(tài)信息，給出相通斷信號及電流斬波閾值。</p><p>　　圖3-10 硬件總體方案的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3．3．2控制核心AT89C51功能</p><p>　　本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51作為邏輯控制單元，它具有4K內(nèi)部Flash ROM、128字節(jié)內(nèi)部RAM、兩個十六位定時／計數(shù)器、四個8位I／O口、128個位尋址單元，并可同時對外部64K字節(jié)的