開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要開關(guān)磁阻電機(jī)作為上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型機(jī)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(jī)既保留了感應(yīng)電機(jī)的絕大部分優(yōu)點(diǎn)，而且具有控制器簡單、運(yùn)行可靠性高、控制靈活方便和價(jià)格便宜等突出特點(diǎn)。而近來，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也與時(shí)俱進(jìn)，日趨先進(jìn)，在電動(dòng)車、航空工業(yè)、家用電器和機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的新勢(shì)力。 本次論文主要對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以80C196KC單片機(jī)作為控制核心，得出基于位置傳感器檢測(cè)和電流檢測(cè)的控制方案。論文的理論基礎(chǔ)是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的理想線性數(shù)學(xué)模型，通過研究開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)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(jìn)行系統(tǒng)的硬件電路和系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)。論文通過對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的方便的正、反轉(zhuǎn)控制和制動(dòng)控制，并設(shè)計(jì)了比較完備的電流和電壓保護(hù)環(huán)節(jié)，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。關(guān)鍵詞: 開關(guān)磁阻電機(jī)；開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)與SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述11.2.1SR電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理11.2.2SR電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)21.3國內(nèi)外SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.3.1SR電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況21.3.2SRD系統(tǒng)概述31.3.3SR電機(jī)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(jī)的數(shù)學(xué)建模及控制策略分析52.1引言52.2 SR電機(jī)的基本方程52.1.1電壓方程52.2.2 磁鏈方程52.2.3機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程62.2.4轉(zhuǎn)矩公式62.3SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型分析62.3.1SR電動(dòng)機(jī)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(jī)的控制策略102.4.1SR電機(jī)的基本運(yùn)行特性102.4.2SR電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)112.4.3SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制11第3章 SRD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理123.1 SR電動(dòng)機(jī)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(cè)單元133.2.3 數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器153.2.4 電流檢測(cè)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(jī)簡介16第4章 SRD系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)184.1系統(tǒng)概述184.2位置檢測(cè)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(cè)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(dòng)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(shí)器中斷模塊295.8故障保護(hù)及處理模塊29第6章 總結(jié)31參考文獻(xiàn)32附錄33翻譯部分34致 謝53 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第53頁第1章 緒 論1.1課題背景 開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）作為上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型機(jī)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(jī)既保留了感應(yīng)電機(jī)的絕大部分優(yōu)點(diǎn)，而且具有控制器簡單、運(yùn)行可靠性高、控制靈活方便和價(jià)格便宜等突出特點(diǎn)。而近來，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也與時(shí)俱進(jìn)，日趨先進(jìn)，在電動(dòng)車、航空工業(yè)、家用電器和機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的新勢(shì)力。11.2 SR電機(jī)與SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述1.2.1SR電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)（SRD）是上世紀(jì)八十年代新型調(diào)速系統(tǒng)，通過與日趨先進(jìn)的電力電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。SR電動(dòng)機(jī)（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(jī)電能量轉(zhuǎn)換的作用。SR電動(dòng)機(jī)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(duì)的繞組可并聯(lián)或串聯(lián)成一相。常見的電機(jī)主要有三相6/4極與四相8/6極。圖1-1 三相6/4極電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖SR電動(dòng)機(jī)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(dāng)定子的某一相通電時(shí)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(dāng)C相通電時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子1-3極軸線與定子的CC極軸線對(duì)齊；接著，C相斷電，B相通電，使轉(zhuǎn)子順時(shí)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(duì)齊；B相斷電，A相通電，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子1-3極軸線最終與定子AA極軸線對(duì)齊，這樣，一個(gè)周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90，當(dāng)定子按C-B-A-C.的順序通電，電機(jī)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。反之，若按C-A-B-C.給定子通電，則電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由上分析易知，SR電機(jī)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(dòng)機(jī)的特點(diǎn)開關(guān)磁阻電機(jī)在結(jié)構(gòu)和控制原理上面的特點(diǎn)使得其與其它種類的傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。SR電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)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(dòng)機(jī)功率變換器的拓?fù)浣Y(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(gè)，這極大地減少了功率變換器的成本。這樣，整個(gè)SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的成本在交流調(diào)速領(lǐng)域有很強(qiáng)的競爭力。（2）可控參量多，調(diào)速性能較好。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)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(jī)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(dú)立控制，這讓其性能與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相近，可以在四象限運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)特定要求的調(diào)速控制。由于SR電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行特性的改變，無需改變控制系統(tǒng)硬件，這是相對(duì)其他種類電機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)，便于智能化。（3）效率高，工作可靠。SR電機(jī)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(hù)電路，減低成本的同時(shí)，極大的提高了整個(gè)SRD系統(tǒng)的可靠性，降低了運(yùn)行維護(hù)所需的人力物力，提高了市場競爭力。 （4）適用范圍廣。SR電機(jī)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(yùn)行的機(jī)械系統(tǒng)，在各種惡劣環(huán)境下的可靠性都很高，在電動(dòng)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(dāng)然，SRD系統(tǒng)也存在一些不足，如存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、震動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1SR電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況SR電機(jī)的淵源可以19世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)有科學(xué)家利用兩個(gè)U型電磁鐵制造了電動(dòng)車，由蓄電池供電，但受限于當(dāng)時(shí)的機(jī)械開關(guān)控制性能較差，電動(dòng)機(jī)的性能不高。進(jìn)入20世紀(jì)，隨著大功率晶閘管的問世，SR電機(jī)的研究進(jìn)入了新紀(jì)元。從1967年起，英國Leeds大學(xué)開始了對(duì)SR電機(jī)的深入研究。這項(xiàng)研究表明SR電機(jī)相對(duì)于同容量的其他感應(yīng)電機(jī)，在單向電流下四象限運(yùn)行時(shí)，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(shì)為SR電機(jī)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，美國福特公司研制出了具有電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和寬廣調(diào)速范圍的SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到了利用蓄電池供電的電動(dòng)車輛上。1983年英國的TASC公司推出第一代通用的SR電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品，此后，國外電氣傳動(dòng)領(lǐng)域紛紛推出了其商品化的磁阻電機(jī)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(zhǔn)確，控制器所采用的微處理器有8位機(jī)、16位機(jī)一直到32位機(jī)，功能愈加完善極大的擴(kuò)大了SR電機(jī)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(jī)，其功率和轉(zhuǎn)速范圍相對(duì)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(shí)踐性能很好的產(chǎn)品。17 我國從20世紀(jì)80年代初開始進(jìn)行SRD的研究，經(jīng)過十幾年的努力，許多高等學(xué)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(yàn)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(jī)、地鐵汽車牽引、龍門刨床、抽絲機(jī)、高檔洗衣機(jī)等，解決了許多傳統(tǒng)電機(jī)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(jì)80年代時(shí)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(dòng)機(jī)外接負(fù)載位置檢測(cè)電流檢測(cè)控制信號(hào)控制器在這個(gè)控制系統(tǒng)中，SR電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)機(jī)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(qiáng)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(dòng)電路消耗功率較大。MOSFET相對(duì)工作頻率更高，開關(guān)速度較快，適合小功率、低壓的SR電動(dòng)機(jī)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(shì)，驅(qū)動(dòng)電路簡單且工作頻率較高，是較理想的中、小型SR電動(dòng)機(jī)的功率變換器的主開關(guān)元件。而對(duì)高壓、大功率的SR電動(dòng)機(jī)，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(dòng)，易控制等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)的主電路采用IGBT為主開關(guān)元件。11.3.3SR電機(jī)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(gè)方面：（1）無位置傳感器的SRD系統(tǒng)。位置檢測(cè)器是SR電機(jī)的必備元件，但是它的使用使得結(jié)構(gòu)簡單的SR電機(jī)變得復(fù)雜，降低了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，因而探索實(shí)用的無位置傳感器的檢測(cè)方案是當(dāng)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)無位置檢測(cè)器控制方案，但實(shí)際應(yīng)用還任重而道遠(yuǎn)。（2）振動(dòng)和噪聲的控制。SR電機(jī)采用的是脈沖供電，使得電機(jī)具有一定的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，特別是在低轉(zhuǎn)速時(shí)步進(jìn)狀態(tài)明顯，振動(dòng)和噪聲都較大。此外高速、重載時(shí)振動(dòng)和噪聲也較大。怎樣通過電機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略的優(yōu)化，有效地抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲，使SRD系統(tǒng)具有低速平穩(wěn)運(yùn)行且有靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力，這是需要進(jìn)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(jìn)的微控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有動(dòng)態(tài)性能高、抗干擾能力強(qiáng)、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(diǎn)。3171.4課題研究的主要內(nèi)容及意義 隨著社會(huì)的快速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，它的使用滲透到了社會(huì)各行各業(yè)。老式的磁阻電機(jī)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(jī)與電子器件相結(jié)合的開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。SRD作為新興的機(jī)電一體化調(diào)速系統(tǒng)，具有很多傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，研究出實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高、動(dòng)態(tài)性能好和抗干擾能力強(qiáng)的SRD系統(tǒng)對(duì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。 本設(shè)計(jì)的主要是利用80C196KC為核心設(shè)計(jì)出通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因而在相應(yīng)開關(guān)器件的選擇如何做到性價(jià)比最高，單片機(jī)控制策略的實(shí)現(xiàn)以及相應(yīng)控制程序的設(shè)計(jì)以及電路原理圖的設(shè)計(jì)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。第2章 SR電機(jī)的數(shù)學(xué)建模及控制策略分析2.1引言 SR電機(jī)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(huì)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(jìn)行分析計(jì)算。但是，電機(jī)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(jī)的基本方程式。常見的求解方法有線性模型、準(zhǔn)線性模型、和非線性模型。對(duì)于非線性模型，雖可建立一個(gè)非常精確的數(shù)學(xué)模型，但磁路的飽和渦流的計(jì)算非常繁瑣，工程實(shí)際意義卻并不大。因此，我們?cè)谶@里采用線性模型，雖然精度較低，但亦可清楚的表示出電機(jī)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(jī)的基本方程 對(duì)于一個(gè)m相的SR電機(jī)，在忽略鐵心損耗，且假定各相的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)稱，這樣，SR電機(jī)可看成具有一個(gè)機(jī)械端口和m對(duì)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(jī)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(jī)中某相繞組的磁鏈?zhǔn)窃撓嚯娏髋c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(duì)自感小得多，簡便起見，SR電機(jī)的計(jì)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(xiàng)是電阻壓降；第二項(xiàng)是電流變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，又稱變壓器電動(dòng)勢(shì)；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(dòng)勢(shì)，即運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。2.2.3機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(dòng)慣量，表示摩擦系數(shù)，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。2.2.4轉(zhuǎn)矩公式SR電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型完整、準(zhǔn)確地描述了其電磁和力學(xué)關(guān)系，但是由于電路與磁路的非線性因素，準(zhǔn)確計(jì)算的工作量很大且計(jì)算非常困難。2.3SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型分析2.3.1SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型由上節(jié)易知，SR電機(jī)的非線性模型的計(jì)算是非常困難的，本次設(shè)計(jì)需要我們掌握SR電動(dòng)機(jī)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(jì)算，故我們可對(duì)理想的線性模型進(jìn)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(duì)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(dòng)作是瞬時(shí)的，即導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定。 滿足以上假設(shè)條件的電機(jī)模型就是理想的線性模型，電機(jī)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(zhǔn)點(diǎn)，即坐標(biāo)原點(diǎn)，以轉(zhuǎn)子位置角為橫坐標(biāo)。=u=0時(shí)，相電感最小，為Lmin;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個(gè)極距角（/Nr）時(shí)，定子的磁極軸線與轉(zhuǎn)子的凸極中心對(duì)齊，此時(shí)相電感達(dá)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(duì)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(dòng)機(jī)的相繞組電感與轉(zhuǎn)子的位置角關(guān)系如下： u2時(shí)，L（）=Lmin； 23時(shí)，L（）=Lmin+k（-2）； 34時(shí)，L（）=Lmax；45時(shí)，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(dòng)機(jī)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(duì)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(shí)，0=0；=on，on為定子繞組電源接通時(shí)轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)位置角，即為開通角，則由式2-6可知通電段的磁鏈表達(dá)式為：. (2-7) 當(dāng)=off時(shí)，電源關(guān)斷，off為關(guān)斷角，此時(shí)磁鏈達(dá)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(shí)，可得到續(xù)流期間的磁鏈為; . (2-9)這樣，就可得出SR電動(dòng)機(jī)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(shí)，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(jìn)行研究分析：在u2時(shí)，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(shí)，L（）=Lmin+k（-2）；根據(jù)電壓方程并代入初始條件可求出： . (2-12)對(duì)應(yīng)的電流變化率：. (2-13) 由上式易得，當(dāng)on2-Lmin/k時(shí)，di/d2-Lmin/k時(shí)，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(jìn)入續(xù)流期。此時(shí)，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(gè)完整的電流解析式，它是電源電壓、電機(jī)幾何尺寸、電機(jī)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(shí)，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(dāng)on減小時(shí)，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(duì)電流波形寬度有影響，off增大時(shí)，電流波形變寬，但它對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速成反比，啟動(dòng)時(shí)常采用電流斬波控制進(jìn)行限流。這些，都是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理基礎(chǔ)。2.3.4 電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也是分段的，假定電機(jī)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(shí)，Te=0； 23時(shí)，Te =1/2Ki2； 34時(shí)，Te =0；45時(shí)，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(dòng)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(jī)的控制策略2.4.1SR電機(jī)的基本運(yùn)行特性SR電動(dòng)機(jī)在給定外施電壓Us且開通角on、關(guān)斷角off固定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系與直流電動(dòng)機(jī)的串勵(lì)特性類似。但在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電流。轉(zhuǎn)矩都有極限值，其基本的機(jī)械特性如下圖2-3所示：TO恒轉(zhuǎn)矩區(qū)恒功率區(qū)串勵(lì)特性區(qū)CCC方式APC方式c固定12 圖2-3SR電動(dòng)機(jī)基本機(jī)械特性（1）恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。對(duì)于給定的SR電動(dòng)機(jī)，它在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速為1，此時(shí)，SR電動(dòng)機(jī)的功率也是最大的，1稱為第一臨界轉(zhuǎn)速。在低速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)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(dòng)斬波模式、定角度斬波模式與變角度斬波模式三種。啟動(dòng)斬波模式在SR電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用，通常固定on、off，導(dǎo)通角op取一個(gè)較大的值，以便在得到大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)又能限制相電流峰值；定角度斬波模式常在電機(jī)啟動(dòng)后低速運(yùn)行時(shí)采用，op不變但相對(duì)較小；變角度斬波模式通常在電機(jī)中速運(yùn)行是采用。CCC控制通常有以下幾種方法實(shí)現(xiàn)斬波：限制電流上、下幅值；電流上限和關(guān)斷時(shí)間給定；PWM斬波調(diào)壓控制。本次設(shè)計(jì)采用電流上限和關(guān)斷時(shí)間給定的方法，即將相電流i與給定電流Imax比較，當(dāng)iImax時(shí)，控制功率開關(guān)關(guān)斷一段時(shí)間，一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間是恒定的。這種控制方式最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)關(guān)斷時(shí)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(shí)，增大時(shí)，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(lì)特性區(qū)。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，可控條件達(dá)到極限，轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速的平方下降，此時(shí)，SR電動(dòng)機(jī)呈串勵(lì)特性。 在SR電動(dòng)機(jī)控制方式實(shí)際運(yùn)用時(shí)，一般低速時(shí)采用CCC控制，高速時(shí)采用APC控制，在中速時(shí)采用CCC控制和APC控制方式結(jié)合來進(jìn)行控制。這種組合控制方式提高了電動(dòng)機(jī)的控制性能。12.4.2SR電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) SR電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)有兩種起動(dòng)方式，即一相通電起動(dòng)和兩相通電起動(dòng)。本次設(shè)計(jì)所采用的是四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，采用兩相起動(dòng)方式。相對(duì)于一相起動(dòng)方式，兩相起動(dòng)增大了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，消除了起動(dòng)死區(qū)，同時(shí)兩相起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，起動(dòng)所需的電流幅值也更低。2.4.3SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制（1）正反轉(zhuǎn)控制 SR電機(jī)的運(yùn)行需兩個(gè)條件：一是使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，二是有相應(yīng)相序的控制信號(hào)。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