基于51單片機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)

2、校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定

3、，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論

4、文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě)2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà)3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告

5、、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫(xiě)（設(shè)計(jì)）過(guò)程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良

6、 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“”）指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意

7、義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“”）評(píng)閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過(guò)程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見(jiàn)解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)答辯問(wèn)題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生答辯過(guò)程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)

8、是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評(píng)定成績(jī)： 優(yōu) 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名）年 月 日教學(xué)系意見(jiàn)：系主任： （簽名）年 月 日摘 要開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 SRD）是隨著電力電子、計(jì)算機(jī)、微電子的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型機(jī)電一體化無(wú)級(jí)調(diào)速系

9、統(tǒng)，它將開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)融合為一體 不僅保持了交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠和直流電動(dòng)機(jī)可控性好的優(yōu)點(diǎn)而且還具有交流調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速系統(tǒng)所無(wú)法比擬的顯著特點(diǎn)。論文以三相12/8極7.5KW SRM為研究對(duì)象，完成了以單片機(jī)為核心組成的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用PWM控制方式，選用不對(duì)稱半橋式功率驅(qū)動(dòng)器主電路，主開(kāi)關(guān)器件選用IGBT，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)STC89C52為核心的控制器，主要對(duì)電流檢測(cè)、位置檢測(cè)、故障保護(hù)和顯示電路等外圍電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具有過(guò)流保護(hù)功能。同時(shí)本設(shè)計(jì)采用了模塊化的編程方法，增強(qiáng)了程序的可讀性和易操作性?；陂_(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)線性動(dòng)態(tài)模型,利用MAT

10、LAB/SIMULINK ,對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真。為此系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)打下了基礎(chǔ)。仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的SRD 控制效果。本文用該設(shè)計(jì)進(jìn)行了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制的模擬試驗(yàn)，達(dá)到了初步的實(shí)驗(yàn)效果，在軟硬件兩方面為以后開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)這一課題的研究進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；單片機(jī)；功率驅(qū)動(dòng)器；調(diào)速系統(tǒng)Design of control system of switched reluctance motorAbstractSwitched reluctance motor drive system (Short title SRD) is variable speed syst

11、em with the development of microelectronics power electronics, computers, the rapid. It switched reluctance motor, power electronics, control technology for the integrated not only maintain the structure of AC induction motor is simple, rugged, reliable and controllable DC motor has a good advantage

12、 but also speed AC drive system and DC system Can not match the significant features. Thesis based on three-phase 12 / 8 poles 7.5KW SRM as the research object, completed a microcontroller as the core component of the control system design. The system uses the PWM control mode, use Asymmetrical half

13、-bridge power converter main circuit power supply, the main switching devices used IGBT. MCU STC89C52 as the core of the controller. Mainly on the current detection, position detection, fault protection and other peripheral circuits and display circuits were designed, with the flow, over-voltage pro

14、tection function. The design also uses the modular programming method to enhance the readability and ease of maneuverability. According to the SRM quasi-linear dynamic model, based on MATLAB/SIMULINK, a dynamic simulation model of SRM is developed. The simulation results really report work status of

15、 SRM. Finally the paper carries on a preliminary experiment of controlling switched reluctance motor with this design, obtains some experimental data and achievements, and provides a useful exploration and practice in the subject of SRD in both software and hardware aspectsKeywords: switched relucta

16、nce motor; SCM; power converter; control system符 號(hào) 表第j相的端電壓VJ系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量N*m第j相電流A負(fù)載轉(zhuǎn)矩N*m第j相的磁鏈B霍爾系數(shù)角速度rad/s電流與磁力線的夾角rad霍爾LEM模塊副邊電流A霍爾LEM模塊原邊電流A摩擦系數(shù)目 錄1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)概述11.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r11.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的組成21.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)41.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合52 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理與控制72.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理72.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本方程92.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式112.3.1 電

17、流斬波控制（CCC）方式122.3.2 角度位置控制（APC）方式122.3.3 脈寬調(diào)制控制（PWM）方式132.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)142.5 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲分析143 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)164 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.1 位置信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.2 電流信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)184.3 調(diào)速信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)214.4 保護(hù)電路設(shè)計(jì)215 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)225.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)225.2 開(kāi)關(guān)器件的選擇246 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)266.1 單片機(jī)系統(tǒng)266.2 信號(hào)邏輯處理電路276.3 速度顯示電路設(shè)計(jì)277 軟件設(shè)計(jì)297.1 主程序設(shè)計(jì)297.2 啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)307.3 運(yùn)

18、行模塊流程圖317.4 測(cè)速和換相程序設(shè)計(jì)327.5 PI調(diào)速模塊設(shè)計(jì)347.6 速度顯示模塊設(shè)計(jì)357.7 中斷程序設(shè)計(jì)358 SIMULINK原理仿真368.1 電機(jī)模塊368.2 功率驅(qū)動(dòng)模塊368.3 位置檢測(cè)模塊378.4 PI調(diào)速模塊378.5 系統(tǒng)仿真及結(jié)論389 軟硬件聯(lián)調(diào)結(jié)果409.1 調(diào)試過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法409.2 調(diào)試結(jié)果及進(jìn)一步改進(jìn)的方向41參考文獻(xiàn)42致 謝43附錄 電路圖44附錄 程序清單451 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)概述作為新一代的調(diào)速電機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)( Switched Reluctance Drive簡(jiǎn)稱SRD)是從20世紀(jì)80年代中期逐步發(fā)展起來(lái)的

19、，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)，由于其構(gòu)成的SRD性能優(yōu)良，所以較其他調(diào)速系統(tǒng)更有競(jìng)爭(zhēng)潛力。SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)比籠型異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，但SR電機(jī)的控制要求根據(jù)負(fù)載和運(yùn)行條件的不同，在不同的轉(zhuǎn)子相對(duì)位置下通斷各相繞組的主開(kāi)關(guān)器件，這樣既提高了電機(jī)控制的靈活性，也增加了電機(jī)運(yùn)行控制的復(fù)雜性，顯然，如果不采用軟件與硬件相結(jié)合的數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)SR電機(jī)進(jìn)行控制，SRD性能的提高必然受到一定的限制，同時(shí)控制器的硬件 電路亦將過(guò)于復(fù)雜和龐大。因此，為了簡(jiǎn)化控制電路，充分利用SR電機(jī)控制方式靈活多變的優(yōu)點(diǎn)，完善系統(tǒng)的功能，有必要使用數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)SR電機(jī)進(jìn)行控制。一方面，采用直接數(shù)字控制簡(jiǎn)化了硬件電路，提高

20、了系統(tǒng)的可靠性，另一方面，直接數(shù)字控制符合SRD系統(tǒng)的特點(diǎn)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為直接數(shù)字控制提供了強(qiáng)大的物質(zhì)和技術(shù)支持，目前開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)已開(kāi)始廣泛應(yīng)用于工，航空業(yè)和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，隨著對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)的深入，其應(yīng)用必將更為普遍。1.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r現(xiàn)代SR電動(dòng)機(jī)的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，電子工業(yè)的發(fā)展為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的功率電子器件和可靠、低廉、多功能的控制器件。60年代末，J.Jarret提出了增加飽和度有利于提高磁阻電動(dòng)機(jī)出力的觀點(diǎn)，才使得SR電機(jī)得到迅速的發(fā)展。但在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，對(duì)磁阻電機(jī)的研究基本處于對(duì)其運(yùn)行原理和性能特性的探索和論證

21、。 國(guó)外，70年代初，美國(guó)FORDMOTOR公司研制出了最早的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive)。其機(jī)構(gòu)為軸向氣隙電動(dòng)機(jī)。晶閘管功率電路，具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和較寬范圍調(diào)速的能力，特別適合于作蓄電池供電的電動(dòng)車輛傳動(dòng)。1981年，英國(guó)TASC公司(TASC Drives Ltd.)獲準(zhǔn)制造該系統(tǒng)，于1983年推出開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Switched Reluctance motor Drive System，簡(jiǎn)稱SRD系統(tǒng))的系列產(chǎn)品，取名為OULTON，調(diào)速范圍為303000/rmin，容量范圍為422kW。該產(chǎn)品的出現(xiàn)在電氣傳動(dòng)界引起了不小

22、的反響。因?yàn)樗诤芏嘈阅苤笜?biāo)上達(dá)到了出人意料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了工業(yè)中長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動(dòng)系統(tǒng)。1985年研制成200kW的樣機(jī)，最大轉(zhuǎn)速為10000r/min，美國(guó)開(kāi)發(fā)了用于航空航天方面的SRD系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速可達(dá)25000r/min。 國(guó)內(nèi)，從1984年開(kāi)始許多單位先后開(kāi)展了SR電機(jī)的研究工作，如北京紡織機(jī)電研究所、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)、福州大學(xué)、華中理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、河海大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、哈爾濱電工學(xué)院等，且開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究被列為中小型電機(jī)“七五科研規(guī)劃項(xiàng)目”。 1985年華中理工大學(xué)研制以SCR為功率開(kāi)關(guān)器件的7.5 kW的SRD系統(tǒng)

23、；1987年，北京紡織機(jī)械研究所與南京調(diào)速電機(jī)廠合作開(kāi)發(fā)了3kW的8/6極、以BJT為功率開(kāi)關(guān)器件和以單片機(jī)8751為核心芯片的控制器的SRD系統(tǒng)產(chǎn)品；1993年，30kW級(jí)別的SR電機(jī)在山東淄博電機(jī)二廠通過(guò)鑒定；2000年，國(guó)內(nèi)10kW以上的SR電機(jī)已應(yīng)用于煤礦的采煤機(jī)，并開(kāi)始進(jìn)行180kw的SR電機(jī)在地鐵機(jī)車上的應(yīng)用研制。 近20年來(lái)，SR電機(jī)的研究在國(guó)內(nèi)外取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究的歷史較短，其技術(shù)涉及到電機(jī)、微電子、電力電子、微機(jī)、控制、機(jī)械及工程應(yīng)用等眾多學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)，變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)、無(wú)換向器直流電機(jī)等經(jīng)歷了幾個(gè)年代的開(kāi)發(fā)推廣，目前己領(lǐng)先一步，有著極其廣

24、闊的市場(chǎng)前景。1.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的組成開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率驅(qū)動(dòng)器、控制器和檢測(cè)器四部分組成如圖1-1。 電能輸入指令輸入功率驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流檢測(cè)器位置檢測(cè)器控制器圖1-1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)看，系統(tǒng)通常由SR電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成，其電動(dòng)機(jī)部分包含位置傳感器，驅(qū)動(dòng)器部分包含功率驅(qū)動(dòng)器和控制電路等。 1開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱SRM）是SRD中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件也是SRD有別于其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志它遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩采用雙凸極結(jié)構(gòu)就是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)

25、磁路的磁阻要盡可能大地變化。 2功率驅(qū)動(dòng)器 功率驅(qū)動(dòng)器是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的開(kāi)關(guān)部件。因此功率驅(qū)動(dòng)器包括由整流器所產(chǎn)生的直流電源和開(kāi)關(guān)元件等。功率驅(qū)動(dòng)器有三個(gè)作用：起開(kāi)關(guān)作用，使繞組與電源接通或斷開(kāi)；為繞組的儲(chǔ)能提供回饋路徑；為SRM提供電能量，以滿足所需機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。SRD的分類主要取決于功率驅(qū)動(dòng)器。 3控制器 控制器是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的核心，起決策和指揮作用。根據(jù)控制器中設(shè)定好的控制策略及其相應(yīng)的算法，將外部反饋的電流、位置等檢測(cè)輸入量與內(nèi)部程序中計(jì)算得出的給定量進(jìn)行比較判斷，決定電機(jī)的控制方式，并在合理的轉(zhuǎn)子位置控制功率驅(qū)動(dòng)器中各相主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀

26、態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量合理、有效的轉(zhuǎn)化?？刂破饔删哂休^強(qiáng)的信息處理功能的微機(jī)構(gòu)成。微機(jī)信息處理功能大部分是由軟件完成，因此，軟件也是控制器的一個(gè)重要組成部分。 4位置檢測(cè)器 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是位置閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)各相繞組必須與轉(zhuǎn)子位置同步激勵(lì)，并且轉(zhuǎn)子位置測(cè)量的精度和分辨率直接影響到調(diào)速性能的好壞。位置檢測(cè)的目的是確定定子與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，即要用位置傳感器檢測(cè)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置，然后位置信號(hào)反饋至邏輯控制電路，以確定對(duì)應(yīng)相繞組的通斷。 5電流檢測(cè)器 相電流檢測(cè)是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電流斬波控制方式（CCC方式）運(yùn)行的需要，也是系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)的需要。單向、脈動(dòng)以及波形隨運(yùn)行方式、運(yùn)行條件不同而變化很

27、大是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相電流的基本特點(diǎn)。因此開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電流檢測(cè)器應(yīng)具有快速性好，靈敏度高，單向電流檢測(cè)，線性度好，抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。 1.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)SRD系統(tǒng)具有十分突出的性能優(yōu)點(diǎn)： 1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單固定、成本低、適用于高速場(chǎng)合 SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)甚至比通常被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)還要簡(jiǎn)單。其顯著的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組，只有定子邊有集中繞組，因此制造簡(jiǎn)單，維護(hù)起來(lái)方便，絕緣容易。同時(shí)其轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度很高，可用于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)(10000r/min)。一般來(lái)說(shuō)，中小SRD，其成本可以低于同功率和類似性能的其他現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)。 2.各相獨(dú)立工作，有很高的運(yùn)行可靠性 SR電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不同于

28、傳統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理。從電磁結(jié)構(gòu)上看，一般電機(jī)要正常運(yùn)轉(zhuǎn)就必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個(gè)圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。而SR電機(jī)各相繞組和磁路相互獨(dú)立，各自在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。從控制結(jié)構(gòu)上看，SR電機(jī)各相電路各自給一相繞組供電，也是相互獨(dú)立工作，由此可知，當(dāng)SR電機(jī)一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時(shí)，只需停止該相的工作，在控制方面并不需要對(duì)其他相做任何變動(dòng)。因此本系統(tǒng)可以構(gòu)成可靠性很高的系統(tǒng)。 3.轉(zhuǎn)矩方向與相電流極性無(wú)關(guān)，只與通電順序有關(guān)。從而可使每相繞組只需一個(gè)主開(kāi)關(guān)，降低功率驅(qū)動(dòng)器成本。 4.功率驅(qū)動(dòng)器不會(huì)發(fā)生直通短路故障，可靠性高。 傳統(tǒng)的PWM變頻器功率電路中每橋臂兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)直接跨在

29、直流電源側(cè)，容易發(fā)生直通短路燒毀功率元件。而SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件均直接與電機(jī)繞組相聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象。 5.高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流。 控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是SRD的一大特點(diǎn)。一般典型產(chǎn)品的數(shù)據(jù)是:起動(dòng)電流為10%額定電流時(shí)，獲得的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%額定轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)電流為額定值的30%時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到其額定值的150%。對(duì)比其它調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)特性，本系統(tǒng)十分適合那些需要重載起動(dòng)和較長(zhǎng)時(shí)間低速重載運(yùn)行的機(jī)械，如電動(dòng)車輛等。 6.可控參數(shù)多，調(diào)速范圍寬。 由于SR電機(jī)控制參數(shù)多，所以控制器的控制方式也有多種，并不是僅僅依靠控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通，

30、關(guān)斷順序來(lái)進(jìn)行控制。目前，SR電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制模式主要有以下幾種: (1) 角度位置控制APC方式。電壓保持不變，通過(guò)改變開(kāi)通角和關(guān)斷角兩個(gè)控制參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵在于將角度量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)速度時(shí)的時(shí)間可控量。適合于電機(jī)較高速運(yùn)行區(qū)。 (2) 電流斬波控制。電壓不變，電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，反電勢(shì)較小，電流變化率大，為避免電流上升過(guò)快，超過(guò)允許的最大電流，可采取斬波方式來(lái)限制電流。一般用于電機(jī)低速區(qū)。 (3) 電壓斬波控制方式。開(kāi)關(guān)角固定不變，繞組不同的外施電壓對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)加在繞組上的電壓來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 7.效率高，損耗小。 SR電機(jī)的轉(zhuǎn)子不存在勵(lì)磁及轉(zhuǎn)差損耗，功率變換器開(kāi)

31、關(guān)器件少，相應(yīng)的損耗也小。其次，可控參數(shù)多，控制靈活，易于在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。1.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合由其性能特點(diǎn)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可以在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用：1.在有特殊要求的場(chǎng)所中的應(yīng)用 在要求快速正反轉(zhuǎn)的一些工業(yè)應(yīng)用中，如紡織印染業(yè)，要求電動(dòng)機(jī)反應(yīng)速度要快，其反應(yīng)時(shí)間不得大于0.3 秒，電動(dòng)機(jī)要能長(zhǎng)期地、連續(xù)地、頻繁地處于正、反轉(zhuǎn)交替變換的工作 狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)要有能在較寬廣的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速的性能，電動(dòng)機(jī)能長(zhǎng)期地在濕、熱的環(huán)境中 工作。這時(shí)候，使用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)能收到意想不到的良好效果。 還有在要求轉(zhuǎn)速高度穩(wěn)定的一些工業(yè)應(yīng)用中，如化纖行業(yè)，開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)具有良 好的同步性

32、能，而且不存在電刷磨損（如直流電動(dòng)機(jī)）或恒磁體退化（如永磁同步電動(dòng)機(jī)）的問(wèn)題，可長(zhǎng)期可靠工作。 2.在龍門刨床主傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能、寬廣的調(diào)速范圍、比較小的起動(dòng)電流獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、對(duì)稱的四象限運(yùn)行特性等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于滿足龍門刨主傳動(dòng)的高技術(shù)要求 提供了完全的可行性。 3.在數(shù)控機(jī)床主軸直驅(qū)系統(tǒng)中的應(yīng)用 利用開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩特性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床主軸直驅(qū)系統(tǒng)，取得了成功。這為我國(guó)普及型小型數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)提供了一種性價(jià)比很高的新動(dòng)力。 4.在家電行業(yè)中的應(yīng)用 空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電發(fā)展的總趨勢(shì)是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的

33、電動(dòng)機(jī)來(lái)取代無(wú)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。這里最具資格的當(dāng)數(shù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。而在性價(jià)比上開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)還占有一定的優(yōu)勢(shì)。5.在電動(dòng)車、船驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)高效、節(jié)能、調(diào)速范圍寬、啟、制動(dòng)特性卓越，顯然是電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的理想動(dòng)力。國(guó)外已將SRD在電瓶車、鏟車、無(wú)軌電車、電動(dòng)轎車、城市輕軌列車等方面進(jìn)行廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)已經(jīng)明顯凸現(xiàn)出來(lái)，國(guó)內(nèi)這方面的研究開(kāi)發(fā)也已取得了顯著的成效。將開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于水域的船只驅(qū)動(dòng)上，可以避免機(jī)油、汽油、柴油對(duì)水域的污染，還可以大大減少噪聲污染，這同樣是一個(gè)很有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)還可以用在其

34、他許多領(lǐng)域，這需要相關(guān)人士更多的努力。相信開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)技術(shù)一旦普及和推廣，一定會(huì)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理與控制2.1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理SR電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與步進(jìn)電機(jī)相似，運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，當(dāng)鐵心與磁場(chǎng)的軸線不重合時(shí)，便會(huì)有作用力將鐵心拉到磁場(chǎng)的軸線上來(lái)。這個(gè)作用力就是磁阻電機(jī)運(yùn)行的原動(dòng)力切向磁拉力。這是SR電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的相似之處，但是在以下兩方面SR電機(jī)不同于步進(jìn)電機(jī)。第一，步進(jìn)電機(jī)是一般位置開(kāi)環(huán)控制，而SR電機(jī)是位置閉環(huán)控制。有位置閉環(huán)控制就不會(huì)失步。 第二，一般步進(jìn)電機(jī)是作為信息傳輸從而實(shí)現(xiàn)角位移精密

35、傳動(dòng)，而SR電機(jī)是典型的功率型電氣傳動(dòng)裝置。因此，SR電機(jī)要突出速度控制和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率，故其設(shè)計(jì)思路大不相同。 SR電機(jī)可以設(shè)計(jì)成單相、兩相、三相、四相以及多相等不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，相數(shù)越多，則步進(jìn)角越小，這樣有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開(kāi)關(guān)器件多，成本高。通常轉(zhuǎn)子的極數(shù)比定子極數(shù)少2個(gè)，少于三相的SR電機(jī)沒(méi)有自起動(dòng)能力，因此，對(duì)于要求自起動(dòng)、四象限運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)選表2-1所示的結(jié)構(gòu)類型。目前應(yīng)用較多的是四相 8/6級(jí)結(jié)構(gòu)和三相12/8極機(jī)構(gòu)。 電動(dòng)機(jī)相數(shù)定轉(zhuǎn)子極數(shù)與步進(jìn)角之間關(guān)系如下表2-1所示。表2-1 SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型相數(shù)3456789定子極數(shù)681012141618轉(zhuǎn)子極

36、數(shù)46810121416步進(jìn)角（度）3015964.33.22.5電機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)理粗略的分為兩大類:一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類則是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 在第一類電機(jī)中，運(yùn)動(dòng)是定、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。這種相互作用產(chǎn)生使兩個(gè)磁場(chǎng)趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩。類似于兩個(gè)磁鐵的同極相斥、異極相吸的現(xiàn)象。目前大部分電機(jī)都遵循這一原理，如一般的直流電機(jī)和交流電機(jī)(包括永磁類電機(jī))。而 在第二類電機(jī)中，運(yùn)動(dòng)是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)單相磁場(chǎng)，其分布要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時(shí)，便會(huì)

37、有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)距使其趨向于磁阻最小的位置，即兩軸線重合位置。類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物體的現(xiàn)象。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)就屬于這一類型的電機(jī)。下面就以常用的三相12/8極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為例進(jìn)一步闡釋其運(yùn)行機(jī)理。如圖2-1所示，具體工作過(guò)程如下: 圖2-1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)原理圖圖2-1畫(huà)出了A相繞組及其供電電路，其余各相與此相相同。結(jié)構(gòu)上與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似的SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理亦遵循“磁阻最小原理”一一磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必須使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。在圖2-2示位置，當(dāng)定子一極受到勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)內(nèi)建立以定子對(duì)角線為軸線的磁場(chǎng)，其磁通經(jīng)

38、過(guò)定子扼、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛閉合。此時(shí)穿過(guò)氣隙的磁力線是彎曲的，磁阻大于定、轉(zhuǎn)子軸線重合時(shí)的磁阻，因此轉(zhuǎn)子將受到彎曲磁力線切向分力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，而沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子極軸線與定子極軸線重合時(shí)，此相勵(lì)磁繞組的電感達(dá)到最大值，轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定平衡位置，切向磁力消失，如果轉(zhuǎn)子上無(wú)外部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則需要將下一相導(dǎo)通，以維持轉(zhuǎn)距，如此逐相導(dǎo)通，電機(jī)將連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。圖2-2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一相通電的磁場(chǎng)情況由通電磁場(chǎng)情況得出開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)與定子極的通電順有關(guān)，而與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)。為了更加清楚地理解開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理，本文將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)和自整步同步電機(jī)作了比較

39、，見(jiàn)表2-2。由此可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。表2-2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)與三種類似電動(dòng)機(jī)比較 類比第一組步進(jìn)電機(jī)不同點(diǎn)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)第二組開(kāi)環(huán)控制會(huì)丟失步，角度精密傳動(dòng)轉(zhuǎn)子無(wú)需勵(lì)磁，定子繞組采用直流脈沖供電均為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁。都各相的通電順序得到正反轉(zhuǎn)位置和速度的閉環(huán)控制，不單是功率型驅(qū)動(dòng)電機(jī)相同點(diǎn)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)自整步電機(jī)都采用轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制的自控變頻器供電轉(zhuǎn)子需勵(lì)磁定子多組交流電勵(lì)磁2.2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本方程SR電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、磁路和電路的非線性、開(kāi)關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨轉(zhuǎn)子位置作周期性變化，定子繞組電流和

40、磁通波形極不規(guī)則，傳統(tǒng)電機(jī)的性能分析方法難以簡(jiǎn)單地用于SR電機(jī)計(jì)算，不過(guò)SR電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程仍然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定率等基本的電磁關(guān)系上，并可由此寫(xiě)出 SR 電機(jī)的基本平衡方程式。1.電動(dòng)勢(shì)平衡方程式一臺(tái)q 相SR 電機(jī)，假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對(duì)稱，根據(jù)電路定律可以寫(xiě)出SR 電機(jī)第j 相的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：在SR 電機(jī)中，各相繞組的磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位移角和各相繞組電流的函數(shù)，故磁鏈為： 進(jìn)一步考察 SR 電機(jī)能量流，有上式表明，輸出功率的一部分轉(zhuǎn)為磁場(chǎng)儲(chǔ)能增量，另一部分則為輸出的機(jī)械功率，可以說(shuō)SR 電機(jī)正是利用其不斷的能量?jī)?chǔ)存，轉(zhuǎn)換而獲得高效、大功率的性能。2.轉(zhuǎn)矩平衡方式

41、 當(dāng)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T與作用于電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相符時(shí)，轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生變化 產(chǎn)生角加速度，根據(jù)力學(xué)原理，可以寫(xiě)出這時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式 W由于電路、磁路的非線性和開(kāi)關(guān)性，使得上述方程組很難計(jì)算，通常需要根據(jù)具體運(yùn)行狀態(tài)和研究目的進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，一般都采用線性模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，線性模型有利于對(duì)SR 電機(jī)的定性分析了解其運(yùn)行的物理狀況、內(nèi)部各物理量的基本特點(diǎn)和相互關(guān)系。在線性模型中作如下假設(shè)； (1) 忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，且磁通率，因此繞組電感L 是轉(zhuǎn)子位置的分段線性函數(shù)。 m = (2) 忽略所有功率損耗。 (3) 功率管開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成。 (4) 電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。在上述假設(shè)條件下的電機(jī)模型為理

42、想線性模型，繞組電感L 與轉(zhuǎn)子位移角的關(guān)系如圖2-3 所示。圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角(機(jī)械角)，它的基準(zhǔn)點(diǎn)即坐標(biāo)原點(diǎn)=0 的位置，對(duì)應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時(shí)相電感為最小值， 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)極距時(shí)，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對(duì)齊，電感為最大值，隨著定、轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少，相電感則在和線性地上升和下降。圖2-3 繞組電感L 與轉(zhuǎn)子位移角的關(guān)系2.3 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化裝置。雙凸極磁阻電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行離不開(kāi)可控的開(kāi)關(guān)電路控制器。而每個(gè)控制器功能的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)合理的控制策略，本節(jié)著重研究開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制原理，介紹各種調(diào)速控制方案。

43、該系統(tǒng)的控制具有兩個(gè)層面:一是，電機(jī)控制層面，即通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)自身的參數(shù)改變電機(jī)的運(yùn)行特性，這一層關(guān)系是直接的；二是，系統(tǒng)控制層面，這個(gè)層面是將控制策略應(yīng)用于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及其外圍的設(shè)備(控制器、信號(hào)檢測(cè)裝置等)，并使之為達(dá)到某一控制目標(biāo)協(xié)同運(yùn)作，這種控制是通過(guò)功率變換器間接作用在電機(jī)之上的。這個(gè)層面上的控制是種通用技術(shù)， 能夠應(yīng)用在其它電機(jī)上的控制理論基本上都可以應(yīng)用在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)上，比如最常見(jiàn)的PI或PID調(diào)節(jié)、模糊控制等；而電機(jī)層面上的控制則是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)所特有的，下文將對(duì)其具體控制策略加以總結(jié)和討論。 SR 電機(jī)的可控變量一般有施加于相繞組兩端的電壓U、相電流I、開(kāi)通角和關(guān)通角等。開(kāi)關(guān)磁阻

44、電機(jī)的控制簡(jiǎn)單的說(shuō)就是對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)上述控制參量的不同，主要可分為以下三種控制方式:角度位置控制(APC，又叫單脈沖控制)、電流斬波控制(CCC，又叫電流PWM 控制)、電壓斬波控制(CVC，又叫電壓PWM 控制)。2.3.1 電流斬波控制（CCC）方式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在基速 以下運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較慢，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小，繞組電流上升率較大，為避免過(guò)大的電流和磁鏈峰值，獲得恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，采用電流斬波控制（CCC）方式。電流斬波控制是通過(guò)固定開(kāi)通角、關(guān)斷角，通過(guò)主開(kāi)關(guān)器件的多次導(dǎo)通關(guān)斷將電流限制在給定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制。CCC控制方式下的相電流波形見(jiàn)圖2-4。顯然，當(dāng)固定開(kāi)通、關(guān)斷角時(shí)

45、，調(diào)節(jié)斬波就相當(dāng)于調(diào)節(jié)關(guān)斷角，或者說(shuō)是電流開(kāi)通區(qū)間的長(zhǎng)度。但是它們之間也有不同之處，APC方式下電流的不可控相比，CCC方式是直接對(duì)電流實(shí)施控制，通過(guò)適當(dāng)誤差帶的設(shè)置可以獲得較為精確的控制效果。因此，CCC方式同樣具有簡(jiǎn)單直接，可控性好的特點(diǎn)，也避免了APC方式中的“敏感”問(wèn)題，與后面的電壓PWM方式相比，也具有較小的開(kāi)關(guān)損耗，是比較常用的控制方式。只是這種控制下，電流的斬波頻率不固定，它隨著電流誤差變化而變化，不利于電磁噪聲的消除。圖2-4 CCC控制方式下的相電流波形2.3.2 角度位置控制（APC）方式開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在基速至第二臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較大，繞組電流上升率低

46、，電流較小，為獲得恒功率機(jī)械特性，常采用角度位置控制方式。角度位置控制方式是調(diào)節(jié)開(kāi)通角 、關(guān)斷角，改變相繞組相對(duì)于電感位置的勵(lì)磁區(qū)域，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。角度位置控制的控制非常靈活，但與的組合非常多，使得控制參數(shù)的選擇較為復(fù)雜，這就存在一個(gè)角度位置控制參數(shù)優(yōu)化的問(wèn)題。優(yōu)化的目標(biāo)可以是恒功率下轉(zhuǎn)矩最優(yōu)，也可以是效率最優(yōu)，以及其它目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)不同，與的最優(yōu)組合往往也不同。因此角度位置控制往往需要按照控制性能目標(biāo)事先對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的方法有仿真、實(shí)驗(yàn)測(cè)量等。實(shí)際采用的APC調(diào)節(jié)法，一般都先優(yōu)化固定，然后通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)。對(duì)于調(diào)速范圍較寬的，可以分段優(yōu)化固定，然后再對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。角度控制也稱單脈

47、沖控制，因?yàn)殚_(kāi)通期間內(nèi)開(kāi)關(guān)元件始終導(dǎo)通。這種方式比較簡(jiǎn)便，但這種方式中相電流是不可控，其變化率很大，對(duì)于開(kāi)通角和關(guān)斷角的微小變化都十分敏感，在調(diào)節(jié)上也存在一定的困難。因此，這種方式比較適合在短時(shí)間里快速達(dá)到期望電流的場(chǎng)合，如較高機(jī)械轉(zhuǎn)速下的控制。圖2-5 APC控制時(shí)的相電流波形2.3.3 脈寬調(diào)制控制（PWM）方式脈寬調(diào)制(PWM)控制方式的實(shí)質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)繞組兩端的勵(lì)磁電壓來(lái)控制電磁轉(zhuǎn)矩。具體方法是固定和，用PWM 信號(hào)調(diào)制主開(kāi)關(guān)器件相控信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓加在相繞組上的的有效時(shí)間寬度，改變相電壓的有效值，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。PWM方式可控性較好，在基速以上或基速

48、以下的范圍都可以應(yīng)用，適用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的給定值和實(shí)際轉(zhuǎn)速的反饋值之差進(jìn)行PI運(yùn)算，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比，達(dá)到轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)。缺點(diǎn)在于導(dǎo)通角度始終固定，功率元件開(kāi)關(guān)頻率高，開(kāi)關(guān)損耗大，影響了系統(tǒng)效率。通過(guò)對(duì)以上幾種控制方法的分析可知，不同的控制方法有不同的優(yōu)點(diǎn)，也有不同的適用范圍，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)特性差異也很大，因此選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞绞窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)者的重要任務(wù)。由于一般要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬，負(fù)載轉(zhuǎn)矩適用范圍也較寬，為了使電動(dòng)機(jī)在各種不同工作條件下均具有較好的性能指標(biāo)，一般可選用幾種控制方式的組合來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，如高速時(shí)采用角度控制，低速時(shí)采用電流斬波控制，以利于發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮幾

49、種控制方式的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用了單一的控制方式脈寬調(diào)制(PWM)控制方式。2.4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)SR電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是具有良好的起動(dòng)性能:起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，起動(dòng)時(shí)間短。SR電動(dòng)機(jī)由靜止不動(dòng)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)必須經(jīng)歷一個(gè)起動(dòng)過(guò)程，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同，SR電動(dòng)機(jī)始終工作在有位置反饋的自同步狀態(tài)，因此，SR電動(dòng)機(jī)不存在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中因起動(dòng)頻率過(guò)高而引起失步導(dǎo)致起動(dòng)失敗的問(wèn)題。SR電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)比較簡(jiǎn)單，無(wú)需輔助設(shè)備，研究表明，三相或三相以上的SR電動(dòng)機(jī)可在任意轉(zhuǎn)子位置正、反方向起動(dòng)。在起動(dòng)瞬間，故旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)為零，若加額定電壓Us直接起動(dòng)，相電流將過(guò)大，由此產(chǎn)生的過(guò)大動(dòng)態(tài)沖擊轉(zhuǎn)矩

50、可能會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，甚至燒毀電機(jī)繞組的開(kāi)關(guān)器件，因此必須在起動(dòng)期間采用電流斬波控制方式限制起動(dòng)電流的幅值。此外，在負(fù)載極小的情況下可以配合PWM斬波實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，或者實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速待機(jī)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有其獨(dú)到的特點(diǎn)：反向制動(dòng)，即給原轉(zhuǎn)向狀態(tài)相反的順序通電。這種方式可實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，缺點(diǎn)是對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭矩沖擊比較大，不適合大負(fù)載的設(shè)備。外電阻制動(dòng)，開(kāi)關(guān)控制外界一相電阻跨接電機(jī)繞組，利用繞組自身的反電動(dòng)勢(shì)形成方向轉(zhuǎn)矩，達(dá)到制動(dòng)的目的。 2.5 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲分析SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲和振動(dòng)嚴(yán)重制約了SR電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。與傳統(tǒng)電機(jī)一樣，SR電機(jī)的噪聲主要由三大部分組

51、成:機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲。 理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，機(jī)械噪聲主要源于機(jī)械部件的質(zhì)量，好的電機(jī)這方面的噪聲是比較小的，機(jī)械噪聲可以通過(guò)提高制造質(zhì)量予以控制。空氣動(dòng)力噪聲由電機(jī)內(nèi)的冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生，主要由風(fēng)扇的型式、風(fēng)葉和通風(fēng)道及進(jìn)出口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，該噪聲占整個(gè)噪聲的比例一般是比較小的。電磁噪聲是SR電機(jī)噪聲的主要組成部分，轉(zhuǎn)子徑向的單邊磁拉力和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是噪聲的主要來(lái)源，尤其是當(dāng)徑向磁拉力的諧波頻率與定子固有頻率一致時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲和振動(dòng)。 由于SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是波動(dòng)性質(zhì)的，因此，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是導(dǎo)致SR電機(jī)的噪聲、振動(dòng)的一個(gè)原因；但是隨著研究的深入，各國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)只是電機(jī)噪聲產(chǎn)生

52、的原因之一，在某些電機(jī)實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)導(dǎo)致的噪聲甚至不是最主要的，因徑向單邊磁拉力而引起的電磁噪聲在電機(jī)噪聲中反而占據(jù)更大的比例。 當(dāng)給SR電機(jī)一相繞組通電時(shí)，定子勵(lì)磁極和轉(zhuǎn)子磁極之間產(chǎn)生磁吸力，力圖使磁路的磁阻最小。磁吸力可分成兩個(gè)方向的分量:切向磁吸力和徑向磁吸力，切向磁吸力正是所需要的使電機(jī)運(yùn)行的電磁轉(zhuǎn)矩。徑向磁吸力非但不能產(chǎn)生電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需要的電磁轉(zhuǎn)矩，反而力圖壓縮定、轉(zhuǎn)子間氣隙。徑向磁吸力也是一個(gè)脈動(dòng)的力波，在齒對(duì)槽位置時(shí)最小，在齒對(duì)齒位置時(shí)最大。在脈動(dòng)的徑向磁吸力作用下，轉(zhuǎn)子由于可視為實(shí)心圓柱體，具有很好的剛性，因此基本不受影響；而定子是殼體結(jié)構(gòu)，不可避免地形成壓縮、擴(kuò)張振動(dòng)，可等效為

53、由阻尼器、彈簧及質(zhì)量所組成的系統(tǒng)，振動(dòng)通過(guò)機(jī)殼向外發(fā)射噪聲，構(gòu)成SR電機(jī)噪聲的根源之一，一旦徑向磁吸力的諧波頻率與定子的固有頻率重合，噪聲將會(huì)十分嚴(yán)重。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本次畢設(shè)課題的主要任務(wù)是完成開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到基本的運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)速的功能。從硬件上來(lái)說(shuō)本次設(shè)計(jì)主要分三大部分：信號(hào)采集系統(tǒng)部分，主控系統(tǒng)部分和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部分。那么信號(hào)采集部分和主控系統(tǒng)部分將是本次畢設(shè)任務(wù)的重點(diǎn)，預(yù)期要完成測(cè)速、速度顯示、邏輯換相和調(diào)速這四項(xiàng)功能，系統(tǒng)框圖如圖3-1。 目標(biāo)速度輸入單片機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)命令輸入位置信號(hào)輸入速度顯示換相輸出PWM波輸出圖3-1 硬件系統(tǒng)框圖此系統(tǒng)的特點(diǎn)在于高度的集成，測(cè)速和換相全由位置信號(hào)傳感器負(fù)責(zé)輸入，換相信號(hào)和PWM波信號(hào)可以進(jìn)行片外硬件與門相與也可片內(nèi)程序相與后再輸出。由于單片機(jī)輸入和輸出的信號(hào)量非常多，所以I/O口線難免緊張。活用串口輸入和串口輸出是本設(shè)計(jì)硬件上