開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制策略研究

1、開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制策略研宄浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文姓名：李廣海申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師，蔣靜坪20040201摘要簪？ 5 8 1 3 2 e開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(swi tchedreluctancedrive,簡稱srd)以其優(yōu)良的調(diào)速性能日益收到人們的關(guān)注，顯示出強(qiáng)大的市場競爭力。本文以完成基于數(shù)字信號處理器的3 kw四相(8/6極)開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制為主要研究內(nèi)容。全文的研宄工作包括一下幾個(gè)部分。第一章簡要概述了s rd系統(tǒng)發(fā)展過程、發(fā)展方向，以及s rd系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)；第二章為功率變換器的設(shè)計(jì)和制作，介紹了各種主電路的形式，詳細(xì)論

2、述了一種h型功率變換器的工作原理和特點(diǎn)，主開關(guān)器件選用1 pm。第三章介紹了以t i的d s p為核心的控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。第四章介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)制動(dòng)的原理和控制方法，并給出了一套3kw幵關(guān)磁阻電機(jī)能耗制動(dòng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，解決了位置檢測、優(yōu)化控制以及系統(tǒng)保護(hù)等制動(dòng)過程中不容忽視的問題。這對降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)性 能/價(jià)格比和開拓開關(guān)磁阻電機(jī)的多種應(yīng)用具有重要意義。第五章闡述了取消轉(zhuǎn)子位置傳感器的理論依據(jù)，提出了一種對中小功率開關(guān)磁阻電機(jī)可 行的無位置傳感器測量技術(shù)方案，同時(shí)介紹了d s p測量s rm靜態(tài)磁鏈特性的試驗(yàn)方法。第六章為全文的總結(jié)。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，數(shù)字信號處理器，智

3、能功率控制模塊，電壓pwm控制，p id控制，模糊角度控制，無位置傳感器技術(shù),位置檢測技術(shù)幣經(jīng)陪對、皂，t f。q憊匆金文公布浙江人學(xué)碩1學(xué)位i =侖殳abstracttheswi tchedreluctancedrivesystemspos sesmany i nhe rentadvantagesofadjustable speeddrive, itattract smoreandmorea t tent i onandshowscompet i t i onincommerc i a 1 app 1 ications. inthi s thesis the3kw4 phaseswi tch

4、edreluctancemotorcont rol systemi sdes i gnedba s edondspt h e t h e s i scontainsfivechapters inthefi rstchapter, i toffersthesys temsurveyofsrd, includingdevelop i ngp roces sandwend. theoperat iona lprinciple, s t ructureandcharacteri st icsofsrmareal soci tedtheseconrpdnang lxsedehtseb lxrcsedre

5、tpahcdetcarahcehtrenevnocrewopfoecudor 1acrewopfosdn 11ksuoravfosc 1ats 11rcrewopepyt-hehtdessucs1derat1uctwenaate1an 1dezy11anasretrevnohcneebsah7mpi/<rots蠢snartrewopepy1f111pm 1srofhct 11wsrewopehtotnesor 1ahtehtletrevnocehtfoema <fehtdedmetsyslortnocdrssrefforetpahcddes3befawtfos1anaerawdra

6、hfong11sessucsdretpahchtruofehtrsdst1tnoo n t rolmethng, thenanexkwswi tchederat ivebrake v i t a b 1 e q u erat ivebrakit ionmeasudsystemprotisinstructipleandthecat ivebrakie s i g n f o r a 3o t o r ? regenbed. some ing t h e regenee rotor posdcontrolano 1 v e d . thisestheprinciodof regeneramp 1

7、eof t h e dreluctancemingi sdescrist ionsduriningsuchas t hre, optimizeectionweresvetoreducethecos tand improvetheconseudingomeaowpodirecdetaerecusiocedri1 i g e nysurinos tperf ormanceandbroadentheapp 1icat ionfieldoftheswi t c h e d 2浙江大學(xué)壩 學(xué)位論文principleofindi rectpos i tnsorispresented, amethodinc

8、a n e x p e r imentme thodus i n g d s psuremagnet icl inkageadaptedwe rtosrma re recommended, a n it p o s i t i o ntosensordes ignfor3kwsrdii 1 edprovethefeas ibi 1 i tyoftommend edme t hodt h e s ixthchapteri s theconcnofthefulltext.keywords: switchedrelucta:v e (srd), digitalsignalangl eprocesso

9、r (dsp), intelcepowe rmodu 1 e (ipm), p i d , fuzzcontrol, rotor posit ionmegtechnique3第一章序論§ 1 1引言19世紀(jì)法拉第分別發(fā)現(xiàn)了載流導(dǎo)體在磁場巾受力和電磁感應(yīng)定律，為電機(jī)制造奠定了理論基礎(chǔ)。由于：電機(jī)的效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)比較經(jīng)濟(jì)；電能的傳輸和分配比較方便；電能容易控制，因此電氣傳動(dòng)己經(jīng)成為絕大部分機(jī)械的傳動(dòng)方式，成為丁業(yè)化的重要基礎(chǔ)?？v觀電氣傳動(dòng)的發(fā)展過程，w史【二最早出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)，在19世紀(jì)8 0年代以前，直流傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。到1 9世紀(jì)末fi f ，出現(xiàn)了交流電，且解決了三相制

10、交流電的輸送和分配問題，并制造成了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的籠型異步電動(dòng)機(jī)，這就使得交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中逐步得到了應(yīng)用。在2 0世紀(jì)以來，生產(chǎn)已經(jīng)發(fā)展到一定高度，/ i :產(chǎn)過程的進(jìn)步對電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及調(diào)速精度、調(diào)速范同等靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面都提出了更高的要求，雖然直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和機(jī)械換向器，存在著自身的弱點(diǎn)，但從電機(jī)木體來說直流電動(dòng)機(jī)比交流電動(dòng)機(jī)在技術(shù)上更容易滿足i:述要求，所以2 0世紀(jì)6 0年代以前，在需要可逆、可調(diào)速與高性能的電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，直流傳動(dòng)系統(tǒng)一直占領(lǐng)統(tǒng)治地位。自6 0年代以后，隨著電力電子學(xué)、微電子學(xué)和現(xiàn)代控制理論的驚人發(fā)展，交流電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)生y i =_1新月異的變

11、化，特別是交流電機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制理淪的產(chǎn)生及應(yīng)用技術(shù)的推廣，使得交流傳動(dòng)具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)態(tài)精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好技術(shù)性能，其動(dòng)、靜態(tài)特性完全n, p j, j n直流傳動(dòng)系統(tǒng)相媲美，丁是出現(xiàn)j,交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)的趨勢。但是，交流傳動(dòng)系統(tǒng)也尚有一些未盡如人意之處，存在著系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、力能指標(biāo)有待進(jìn)一步提高等問題。正是在電氣傳動(dòng)技術(shù)得到迅猛發(fā)展的時(shí)代背景卜，國外于2 0世紀(jì)8 0年代推出丁一種新型交流電動(dòng)機(jī)新品種一一開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（sw i tc h e d r e 1 uctancemotor,簡稱 s r 電動(dòng)機(jī)或 s r m ）。因srm結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便

12、宜，工作可靠，運(yùn)行效率高，即使在惡劣環(huán)境下也能保持高性能運(yùn)行，由其構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)一一開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（s rd）運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比普通的交流調(diào)速系統(tǒng)，甚至比晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)都好，具有很大的應(yīng)用潛力。因而近1 o年來，srd在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域異軍突起，發(fā)展頗為迅速，受到了各國電工界的重視，成為當(dāng)代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的熱門課題之一。§ 1 . 2 s r d工作原理及其特點(diǎn)srm的基本結(jié)構(gòu)、原理與特點(diǎn)§ 1.2.1s r m是s r d中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是s r d區(qū)別于其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。srm為雙凸極鐵心結(jié)構(gòu)，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通石豐鋼片疊壓而成。

13、轉(zhuǎn)子上既無繞組又無永磁體，裝冇位置檢測器；定子上繞有集中繞組，徑向相對的兩個(gè)繞組串聯(lián)形成一對磁極，稱為“一相”。s rm可以設(shè)計(jì)成多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配，其相數(shù)多，步距角小，利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且豐開關(guān)器件多，成本高。由于三相以f的s rm無自啟動(dòng)能力，曰前應(yīng)用較多的是四相（8 / 6）結(jié)構(gòu)及三相（6 / 4）結(jié)"構(gòu)。圖1一 1示出srm結(jié)構(gòu)原理圖。為簡單計(jì)，只給出a相繞組及其供電電路。11四相s rmt作原理圖s rm的結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的交、直流電動(dòng)機(jī)存在著根本的區(qū)別，它小像傳統(tǒng)電機(jī)那樣依靠定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生磁場問的相互作用形成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

14、，而是遵循“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)到磁阻最小住置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。以圖1一1屮定、轉(zhuǎn)子所處相對位置為起始位置，若依次給d a bc相通電，轉(zhuǎn)子即會逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，若依次改變通電電流的順序，則轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變。也就是說，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與相繞組電流的方向無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序而與電流方向無關(guān)。電流單向，調(diào)速系統(tǒng)的功率變換器設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)每相只用一個(gè)主開關(guān)器件，從而大大降低系統(tǒng)的成本。另外，s r電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個(gè)功率開關(guān)器件均直接與繞組串聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象，從而簡化了控制保護(hù)單

15、元的要求，降低了成本乂具有高的可靠從控制結(jié)構(gòu)上講，各相繞組相瓦獨(dú)立工作，所以系統(tǒng)可以缺相運(yùn)浙江大學(xué)壩1學(xué)位論文行，容錯(cuò)能力強(qiáng)，適宜在如航天飛機(jī)、電動(dòng)汽車等特殊場合作為起動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用。s rm由于其雙凸極結(jié)構(gòu)、磁路和電路的非線性開關(guān)性等特點(diǎn)，定子繞組電流和磁通波形極不規(guī)則。但是s rm運(yùn)行的理論與任何電磁式機(jī)電裝置運(yùn)行理論本質(zhì)上沒有區(qū)別，這種機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程主要由電路方程、機(jī)械方程、機(jī)電聯(lián)系方程三部分組成。根據(jù)電路定律，可以寫出s rm 一的電動(dòng)勢平衡方程式:v k 二r i o +掣 (1 -1 )式巾：訖為繞組兩端的電壓，r為相電阻% （ t ,臼）=厶也，口 k為相繞組磁鏈，i。為第

16、k相繞組電流機(jī)械方程：（1 一 2 ）?。?，堡+_d 塑 + z d t 2 d t式巾：，和z分別為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩機(jī)電聯(lián)系方程：（1-3 ）?。阂睿?二氺講）（1 4 ） <3 02、j ' （ 1 5 ） d 0 丁。三f :墮式中w為磁共能srm打破，傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)及控制準(zhǔn)則，總結(jié)起來具有如卜優(yōu)點(diǎn)：f 1 1電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，制造一藝簡單，成本低，可1作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈嵌放容易，端部短叮牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境。（2）損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻，轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升。（3）轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，從而可最大限度

17、簡化功率變換器，降低系統(tǒng)成本。（4 ）功率變換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高。5 ）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。(6)調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性(71在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高效率(8)四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力。§1.2. 2srd組成及工作原理電源速度給定2 s r d基本構(gòu)成開關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一新型的機(jī)電一體化交流調(diào)速系統(tǒng)，它融新的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)s rm與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)為體，從功能上分，其卞要由四部分組成：s r電機(jī)、位置檢測器、功率變換器和控制電路。如圖1 一 2所示。與籠型異步

18、電動(dòng)機(jī)不同，sr電機(jī)不能直接接入電網(wǎng)作穩(wěn)速運(yùn)行，而必須與控制器一同使用。功率變換器向s rm提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，其由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。由于s r電機(jī)相電流是單向的故可采用單極性的功率主電路?？刂破魇窍到y(tǒng)的中樞，其綜合處理速度指令、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)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對s r電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。系統(tǒng)的性能與s r電機(jī)，功率變換器的設(shè)計(jì)以及控制器的設(shè)計(jì)都有關(guān)系，其屮控制器的設(shè)計(jì)居于核心地位。由于sr電機(jī)的強(qiáng)非線性，要提高 系統(tǒng)的性能，必須借助于先進(jìn)控制策略?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是努力 實(shí)現(xiàn)參數(shù)最優(yōu)化、結(jié)構(gòu)最優(yōu)化和功能最優(yōu)化

19、。從結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理上看，s rm與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)十分相似。但事實(shí)上，兩者在電機(jī)設(shè)計(jì)、控制方法、性能特性和應(yīng)用場合等方面均存在著本質(zhì)的差異：其一，一般步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制，而sr電機(jī)一定是位置閉環(huán)控制，有位置閉環(huán)控制就不會丟步或失步；其二，一般步進(jìn)電機(jī)作為信息傳輸，實(shí)現(xiàn)角位移精密傳動(dòng)，而s r電機(jī)是典型的功率型電氣傳動(dòng)裝置，因此，幵關(guān)磁阻電機(jī)更突出速度控制和實(shí)王見高系統(tǒng)效率。§1.2. 3 s rd控制模式s r電機(jī)定轉(zhuǎn)子均是，1極結(jié)構(gòu)，飽和效應(yīng)、邊緣效應(yīng)較為敁著，繞組電感不僅是轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，也是電流的函數(shù)，求電流的解析表達(dá)式比較凼難。為便于理解基本概念，奉章采用線性模型進(jìn)行分析，得

20、到s r電機(jī)的“同有”機(jī)械特性：行=ku /打（1 6 ）式中：k。，為以開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制參數(shù)（開通角、_關(guān)斷角）為白變量的函數(shù)關(guān)系式，對給定電機(jī)，k?？珊喕癁榭刂茀?shù)的函數(shù)。礦為電機(jī)繞組供電電壓；t為s i n轉(zhuǎn)矩。顯然，srm調(diào)速的可控參數(shù)為：繞組電壓、開通角、關(guān)斷角，改變其中一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)，即可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。3 s rm控制模式根據(jù)改變控制參數(shù)的不同方式，s rm有3種控制模式（參見圖1 一3 ）,即角度位置控制（angle波控制（currentchoppingpos i t ioncont r o 1 ,簡稱a pc、電流斬c o n t r o 1 ,簡稱c c c 與電壓

21、控 y i （v o 1 tagecont r o 1 ,簡稱 vcp9 1。其巾，apc是電壓保持卅i變，通過改變丌通角和關(guān)斷角調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，適于電機(jī)較高速運(yùn)行區(qū)，但是對_丁每一個(gè)由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩確定的運(yùn)行點(diǎn)，開通角與關(guān)斷角有多種組合，每種組合對應(yīng)不同的穩(wěn)態(tài)性能，因此要根據(jù)諸如：電磁功率、效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電流有效值等卅i同的電機(jī)運(yùn)行性能指標(biāo)，確定相應(yīng)的丌關(guān)角選擇有一個(gè)運(yùn)行模式，即單脈沖方式。§ 1. 3塑堅(jiān)查蘭堡！.竺些墮二塞：準(zhǔn)則；0（3（3般1越用于電機(jī)低速區(qū)，是為限制電流超過功率開關(guān)元件和電機(jī)允許的域大電流而采取的方法，ccc實(shí)際上是調(diào)節(jié)電壓的有效利用值，與a pc類似，它也可以

22、隨轉(zhuǎn)速、負(fù)載要求調(diào)節(jié)開關(guān)角；vc是在固定的開關(guān)角條件下，通過調(diào)節(jié)繞組電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，它分直流側(cè)pwi v 1斬波調(diào)壓、相開關(guān)斬波調(diào)壓與無斬波調(diào)壓，而無斬波調(diào)壓是通過調(diào)節(jié)整流電壓以響應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求，在整個(gè)速度范圍內(nèi)只對丁一幾何尺寸一定的s rm，一般定義在最高外施電壓和允許的最大磁鏈及最火電流條件下電機(jī)能獲得最火轉(zhuǎn)矩的最高轉(zhuǎn)速為“基速” m。在基速以上，由于電壓不能再增加，而開關(guān)角調(diào)節(jié)受換相周期限制，因此存在獲得最大功率的最高轉(zhuǎn)速，有的文獻(xiàn)定義為“第二臨界轉(zhuǎn)速” m。叮以推出，典型的s r電機(jī)輸出特性為：基速釓以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)（ccc方式），。與。，之間為恒功率區(qū)（a pc方式），（0 s以上為

23、電機(jī)的自然特性，即串激特性區(qū)（導(dǎo)通角眈=包電機(jī)的寬范俐特性可以通過簡單的控制模式改變而得到。s rd的發(fā)展概srm (swi t chedre 1 u c t ancemotor)詞來源于美國學(xué)者s . a. n a s a r 1 9 6 9年所撰寫的論文，文中描述了這種電機(jī)的兩個(gè)基本特征：（1 ）開關(guān)性一一電機(jī)必須工作在一種連續(xù)的幵關(guān)模式，這就是這種電機(jī)只有在出現(xiàn)符種新型半導(dǎo)體器件后才能發(fā)展的原岡所在；（2）磁阻性一一它是一種雙凸極電機(jī)，定、轉(zhuǎn)子具有可變磁阻回路。其實(shí)，s rm的雛形蜮早可追溯到1 9型+紀(jì)4 0年代，即所謂“電.磁發(fā)電。機(jī)”。當(dāng)時(shí)，人們利用順序通電的兩個(gè)u形電磁鐵帶動(dòng)鑲嵌

24、有鐵條的木制轉(zhuǎn)鼓，并將其嘗試性地用在機(jī)車驅(qū)動(dòng)屮，其原理與現(xiàn)在的s rm非常相似。但是，由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水甲的限制，根本無法解決s rm在設(shè)計(jì)、控制等方而的一系列關(guān)鍵問題，這科學(xué)發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的足夠重視，這種狀況直持續(xù)到2 0【吐紀(jì)中葉。2 0世紀(jì)6 0年代，人們在開始在電力電子、計(jì)算機(jī)、微電子等領(lǐng)域取得了一個(gè)又一個(gè)的成就，為srm重新提上研究日程奠定r物質(zhì)基礎(chǔ)。1 9 6 7年英國l e e d s大學(xué)開始對s r電機(jī)進(jìn)行深入研究，至u了1 9 7 0年左右，其研究結(jié)果表明：s r電機(jī)可在單相電流下四象限運(yùn)行，功率變換器無論是用晶體管還是用普通晶閘管所需開關(guān)數(shù)都是最少的，電動(dòng)機(jī)成本明

25、顯低于問容量的異步電動(dòng)機(jī)。1 9 7 5年英國n o t t i n gha m大學(xué)和l e e d s大學(xué)的聯(lián)合研究小組成功地研制出一套用于電動(dòng)汽車的5 0 kwsrd裝置，其單位輸出功率和效率都高于同類的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，這充分表明s rd人有前途。眾所周知，傳統(tǒng)觀念中的磁阻式同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)、效率均低于異步電動(dòng)機(jī)，但為什么上述研究小組得出了與此現(xiàn)反的研究成果呢？關(guān)鍵在于高性能計(jì)算機(jī)的問世，為srm的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的計(jì)算、分析工具；而電力電子學(xué)、微電子學(xué)的發(fā)展，則為srm的高性能、高效率控制提供了保證。另外，j. j ar r e 1在6 0年代末提出的增加飽和度有利于提高s r電

26、機(jī)出力的觀點(diǎn)，則從理論上對s rm的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。1 9 8 0年，英國l e e d s大學(xué)的l a w r e n s o n教授及其同事們，總結(jié)了他們的研究成果，發(fā)表了著名論文“variablespeedswi tchedreluctancemotors，標(biāo)志著s rd正式得到了國際上學(xué)術(shù)界的承認(rèn)。該文系統(tǒng)的闡述了s rm的原理及設(shè)計(jì)理論，研宄了s rm的特性及控制方式，這些工作被公認(rèn)為s rm研究的奠基之作。1 9 8 3年，英國t a s c d r i v e s公司將世界卜第一臺s rm0 u 1 t o n傳動(dòng)裝置(7. 5kw 1 5 0 0 nm i n )作為

27、商品投入市場，1 9 8 4年又推出了42 2 kw四個(gè)規(guī)格的系列產(chǎn)品。作為一種性能價(jià)格比高的新型調(diào)速系統(tǒng)，srd問世4 i久，便引起各國電丁界重視。我國于1 9 8 4年左右，也以較高的起點(diǎn)開始s rd的研究、開發(fā)工作，己研制出了 5 0 w5 0 k w、2 0多個(gè)規(guī)格的srd,國內(nèi)有關(guān)s rd研究的學(xué)術(shù)著作也相繼山版。目前，s rd的開發(fā)范圍已經(jīng)達(dá)到:轉(zhuǎn)矩為0 . 0 11 0 6 n. m,功率為1 0 w5 mw,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1 0 0 0 0 0 f f m i n,規(guī)格己從多相發(fā)展到單相、兩相，電機(jī)形式亦從旋轉(zhuǎn)型發(fā)展到直線型。s rd的應(yīng)用領(lǐng)域已從最初側(cè)重于牽引運(yùn)輸發(fā)展到通用工業(yè)

28、、航空工業(yè)和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)指出的是，s r電機(jī)作為一種新型調(diào)速系統(tǒng)，兼有交、直流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，無疑具有廣闊的市場前景，但是由于異步電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)等經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)有了極廣泛的應(yīng)用，占有了市場，加之srd本身也存在著諸如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲等問題，s rm要進(jìn)入調(diào)速市場并占據(jù)較大份額，還尚需時(shí)曰。§ 1. 4 s rd的研宂方向s rd是典型的機(jī)電一體化，為使系統(tǒng)整體最優(yōu)，s rm、功率變換器及控制器三者之間必須協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，其研宄涉及到電機(jī)學(xué)、微電子、電力電子、控制理論、機(jī)械及工程應(yīng)用等眾多學(xué)科領(lǐng)域；加之sr電機(jī)的磁路具有復(fù)雜的非線性特性，導(dǎo)致研宄的凼難，因此就日前國內(nèi)外s

29、rd發(fā)展水平看，無論在理論上還是在應(yīng)用上都存在不少問題，有待進(jìn)一步研究與完善。§1.4.1 s r電機(jī)的設(shè)計(jì)理論和鐵心損耗的理論研宄s r電機(jī)的非線性使對其性能的精確分析和計(jì)算較為困難。0前普遍采用二維有限元分析s r電機(jī)內(nèi)部磁場的方法對以路為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)研宄不夠，而且現(xiàn)有場的方法的精度也有待改進(jìn)，因此有很大的局限性，未來應(yīng)該在這兩個(gè)方面下功夫。s r電機(jī)磁場特性的非線性導(dǎo)致繞組電流波形較為復(fù)雜，很難得到有效的建模方法。如何建立準(zhǔn)確、實(shí)用的鐵心損耗引算模型和分析、測試手段將是未來提高系統(tǒng)整體性能的一個(gè)有效手段§ 1 . 4 . 2 s r電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲的理論研宂s r電

30、機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及由此帶來的振動(dòng)、噪聲是困擾srd,阻礙srd技術(shù)商品化的主要原因，其意義不言而喻。從理論i. 一講，減少sr電機(jī)噪聲和振動(dòng)的關(guān)鍵在于減小作用在定子上的徑向力的大小。一?方面從電機(jī)結(jié)構(gòu)入手，合理選擇設(shè)計(jì)極形狀、氣隙、極弧參數(shù)，另一方面要從控制角度上入手，優(yōu)化導(dǎo)通角和關(guān)斷角以及調(diào)節(jié)方案，盡。j 能調(diào)節(jié)好各相工作參數(shù)的對稱性。§1.4. 3 sr電機(jī)、功率變換器、控制器三者之間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)這是提高系統(tǒng)整體性能的必要條件，也是s rm的個(gè)顯著特點(diǎn)，與以往電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（局部最優(yōu)設(shè)計(jì)）相比有了質(zhì)的飛躍,是典型的機(jī)電一體會系統(tǒng)，同時(shí)這也增加了設(shè)計(jì)的難度，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出

31、了較高的要求。§1.4. 4 s r d參數(shù)最優(yōu)化控制和控制策略研宂總體上講，s r d性能的改善必須考慮s rm的非線性及參數(shù)時(shí)變特性，研宄具冇較高動(dòng)態(tài)性能，算法簡單，能抑制參數(shù)變化、擾動(dòng)及各種不確定性干擾的s rm新型控制策略。傳統(tǒng)的掠制策略主要是基于s r電機(jī)線性模型的p i或p i d控制，如電流控制、反饋轉(zhuǎn)速控制等。在性能要求不高的情況下通過整定pid參數(shù)往往能夠得到可以接受的性能和較好的經(jīng)濟(jì)性，但是由于s r電機(jī)的強(qiáng)非線性一一繞組電流的非正弦與磁通密度的高飽和，基于線性模型的控制策略其輸出特性、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性以及魯棒性無法與直流傳動(dòng)相媲美。為改善系統(tǒng)性能，國內(nèi)外發(fā)表了一些

32、基于現(xiàn)代控制理論和智能控制技術(shù)建立s r d動(dòng)態(tài)模型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊控制1以及帶狀態(tài)觀測器的無位置傳感器s r d在理論和實(shí)踐應(yīng)用上都有了可喜突破。srd發(fā)展到今天，控制策略方面己取得了很多成果，但仍不完善，有很多問題需要解決，而且尚未形成完善的s rm控制理論。浙江大學(xué)碳【：學(xué)位論文§ 1 . 4 . 5 s r d無位置傳感器技術(shù)的研究幵關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的特性之是開關(guān)性，就是要根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置對各相繞組進(jìn)行通電，因而必須獲得s rm的位置信息。常見的方法足在定子和轉(zhuǎn)子上安裝一定數(shù)量的位置傳感器，利用傳感器發(fā)出的信號獲得轉(zhuǎn)子與定子的相對位置關(guān)系。如采用光敏

33、式、磁敏式及接近開關(guān)等含機(jī)械的檢測方案。采取這種方案主耍優(yōu)點(diǎn)是比較簡單、可靠。但這不儀會提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是會降低s rd系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，尤其是在某些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的場合。因此如何讓它去掉位置檢測器，直接利用電機(jī)的電壓和電流信息間接確定轉(zhuǎn)子位置，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固，運(yùn)行更加可靠、高效，成本更加低廉，無疑是一個(gè)很有潛力的研究方向。§1. 5本文研究的主要內(nèi)容本淪文基于浙江省科委重點(diǎn)資助項(xiàng)目和深圳eme r s o n網(wǎng)絡(luò)能源公司的資助項(xiàng)目，對開關(guān)磁阻電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方面進(jìn)行了深入的研究，研究的主要內(nèi)容歸納如一 i c :(1 )對s

34、rm及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究進(jìn)行回顧和綜述。(2)功率變換器的設(shè)計(jì)和i pm在功率變換器屮的應(yīng)用。功率變換器的設(shè)計(jì)和主幵關(guān)器件的選擇對s r d的性能和成本有著重要的影響，本文在第二章詳細(xì)介紹了一種功率變換器的設(shè)計(jì)，主開關(guān)器件為i pm,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，價(jià)格低廉。(3 )控制器的設(shè)計(jì)。在第三章巾結(jié)合義默， i網(wǎng)絡(luò)能源公司資助項(xiàng)目，以tms320f24 0數(shù)字信號處理器為控制核心，設(shè)計(jì)開發(fā)了具有智能控制方法的高精度、全數(shù)字s rm調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。試驗(yàn)測試證明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、町靠，運(yùn)行效率高，具有較高的動(dòng)、精態(tài)性能。(4 ) s rm能耗制動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。第四章詳細(xì)分析了制動(dòng)的原理和過(5)無位

35、置s rm驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。探索實(shí)用的s rm無位置傳感器了一種適用于中小功率s rm的無位置傳感器觀測方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的s rm無位置檢測方法簡單、實(shí)用，系統(tǒng)程，并給出一 3 kw開關(guān)磁阻電機(jī)能耗制動(dòng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)實(shí)例，在電流控制方式(ccc)的基礎(chǔ)上，解決了位置檢測、優(yōu)化控制以及系統(tǒng)保護(hù)等問題，這對開拓開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用具有重要意義。檢測方案是s rm的一個(gè)重要的研究方向，論文在第五章提出運(yùn)行效率高，在高速運(yùn)行時(shí)亦能實(shí)現(xiàn)s rm可靠換相。第二章s rd功率變換器設(shè)計(jì)§ 2 1引言功率變換器的性能和形式將直接影響著s rm的效率、成木和可靠性，合理發(fā)計(jì)功率變換器是提高整個(gè)s rd

36、性能/價(jià)格比的關(guān)鍵之。功率變換器主要有三個(gè)作用：開關(guān)作用，使繞組與電源接通或斷開；為繞組的儲能提供回饋途徑；為srm提供電能，滿足機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。由于s rm功率變換器只需要給s rm提供單向電流，故比異步電動(dòng)機(jī)pwm變換器簡單、可靠。然而srm工作電流、電壓波形并非正弦波，而且波形系統(tǒng)運(yùn)行條件及電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的制約，很難確定預(yù)料，這就使得主幵關(guān)器件的定額計(jì)算和確定較為復(fù)雜。§ 2 . 2 s r d功率變換器主電路形式圖2 1 ( a)取繞組型一 k嘲2 1 (c)少開關(guān)型一 1k土1 j j 1】:】l叫r r幽2 1 (b)艤開關(guān)型圖2 1 (d)電感儲能訛s rd主電路續(xù)流形式

37、有許多種，但其實(shí)質(zhì)都是與續(xù)流密切相關(guān)。srd主電路續(xù)流有研種：雙繞組型、雙開關(guān)型、少開關(guān)型、電感儲1 9能型。§ 2_2_1雙繞組型2-1 (a)為雙繞組，每相有兩個(gè)繞組構(gòu)成，這種形式特點(diǎn)為l 1、l 2緊密耦合，當(dāng)l1關(guān)斷吋，通過磁場耦合，把li上的能量傳遞到l2上，再返回到電源上去。但實(shí)際上完全耦合是不可能的，還存在漏感，對=j e開關(guān)器件會產(chǎn)生電壓尖峰，還需要附加吸收網(wǎng)絡(luò)。另外主開關(guān)器件的選擇理論上耐壓要求為2 u。§ 2 1 2 2雙開關(guān)型圖2 1 ( b )為雙開關(guān)型，每相有兩個(gè)主開關(guān)器件，續(xù)流依靠兩個(gè)二極管進(jìn)行。這種電路耍求有兩個(gè)主開關(guān)器件，成本較高。主開關(guān)器件

38、的選擇理論上耐壓要求為u。§2.2.3少開關(guān)型圖2 1 (c)為少開關(guān)型，其關(guān)鍵是通過將每個(gè)開關(guān)器件接至一個(gè)以1的相繞組來實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件總數(shù)的減少。按此方法，若有n 1個(gè)上主開關(guān)器件和n 2個(gè)f主開關(guān)器件，則可接到功率變換器的繞組最多相數(shù)n n 1 * n 2。此功率變換器中任一主開關(guān)器件的工作狀態(tài)根據(jù)與其連接的所有繞組的電流來確定，所以必須提出一種保持對所有相電流獨(dú)立控制的主開關(guān)器件策略，同時(shí)，srm繞組接至功率變換器的方式必須加以規(guī)定。§2.2.4電感儲能型圖2 1 (d )為電感儲能型，又稱為h橋型。該功率變換器為四相pwm調(diào)壓訓(xùn)速s rd的功率變換器，功率器什最少，成

39、本最低。關(guān)斷相電流依靠導(dǎo)通相繞組本身續(xù)流，續(xù)流時(shí)間稍長。本文采用的功率變換器為此種形式，簡單可靠，成木低廉。§2. 33剛開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器設(shè)計(jì)主開關(guān)器件的選型§2.3.1s rm功率變換器主開關(guān)器件的選擇與電動(dòng)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、并聯(lián)運(yùn)行的難易性、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)；最后一點(diǎn)還與電力電子技術(shù)發(fā)展水平有關(guān)。就當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，有普通晶閘管、可關(guān)斷晶閘管(gto)、電力晶體管(gtr)、功率m os場效應(yīng)管(mo s f e

40、t )、絕緣柵雙晶體管(i g t或i g b t)可供選擇。普通晶閘管成本低、容量大，電流峰值和平均電流定額比值高，電流、電壓過載能力強(qiáng)，能承受很大的浪涌電流，很適合s rd電流脈沖峰值大的特點(diǎn)，但由于無自關(guān)斷能力，在s rd使用過程中需要設(shè)置專門的換相電路，這就造成整機(jī)線路復(fù)雜，體積龐大，重量增加，效率降低，損耗增加，并且產(chǎn)生較強(qiáng)的電噪聲，降低了系統(tǒng)的盯j。靠性；另外晶閘管丌通時(shí)間ii j i達(dá)數(shù)卣微秒，開關(guān)頻率低（一般在2 0 0 h z以下），限制了 s rd在斬波工作模式下的運(yùn)行。|xj此，目前中、小功率的s r d中般不使用普通晶閘管。gtr開關(guān)頻率較普通晶閘管高個(gè)數(shù)量級，而且具有

41、自關(guān)斷能力，特別由于今年來gtr實(shí)現(xiàn)了高頻化、模塊化、廉價(jià)化。岡此屮、小容量的srd中得到了、泛應(yīng)用。但目前gtr的容量尚有限制，主要是電流容量和耐壓之問尚有難以克服的較人矛盾。此外，gtr的電壓、電流過載能力差，承受浪涌電流的能力差，容易因二次擊穿而損壞，保護(hù)較困難，因此限制了其在高壓、大功率場合的應(yīng)_l j。gto具宥普通晶閘管的耐壓高、電流大和浪涌能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有g(shù)tr的些優(yōu)點(diǎn)，如具有自關(guān)斷能力、工作頻率較高（可達(dá)到2khz）,使用方便，線路簡單，控制功率較小等。但g to剮樣存在缺點(diǎn)，如管壓降比普通晶閘管高，工作頻率較gtr低，緩沖電路的損耗較大，門極控制復(fù)雜等，因此在小功率高

42、性能的s rd中，與gtr、m0sfet、i gbt相比并不占有優(yōu)勢。mosfet作為一一干0 0電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)速度快（開關(guān)時(shí)問為1 01 0 n s ）、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)域?qū)挘貏e使用在小功率s rd中。但由于種種原因，mosfet單管功率難以做得很大。i gbt兼有mo s因而性能更為優(yōu)異。總得來說，在小容量的srd中，可選擇gtr、mosfet、igbt作為主開關(guān)器件，人容量的srd屮，可選擇g to。這幾種器件的性能比較可查瀏更為詳細(xì)的資料。本文研制的功率變換器采用新型功率器件i pm,下面將以三菱公司的ipm100dsa120對ipm做詳細(xì)介紹

43、。§2.3. 2功率器件i pm的應(yīng)用智能功率模塊（ipm）是intel 1 i gentpowe rmod u 1 e的縮寫，是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，具有g(shù)tr （大功率晶體管子）的高電流密度、耐高壓和低飽和電壓的優(yōu)點(diǎn)，以及mo s f e t （場效應(yīng)晶體管）的高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)，而且由于內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，使用起來小巧、靈便，減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時(shí)間，同時(shí)大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件發(fā)展方向一模塊化、復(fù)合化和功率集成電路（p i c）,在電力電子領(lǐng)域內(nèi)得到了越來越廣泛的應(yīng)用1 3 3 3 5 1。以本文研制的功率變換器

44、采用的三菱公司i pm 1 0 0 d s a 1 2為例，詳細(xì)介紹i pm的基本特性，然后著重介紹i pm的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)。ipm的基本工作特（1）1 pm的結(jié)構(gòu)c 2 e 1 c_1o . j 1 pm由高速、低功率的1gbt芯片和優(yōu)選的門級驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成（參見圖2 2、23），其中晉1 22 一圖22 （b） ig b r 1的e七*山昭h星裂1 p m浙江人學(xué)碩學(xué)位論史i g b t 是g t r 和mo s f e t 復(fù)合，由mo s f e t 驅(qū)動(dòng)g t r，因而i g b t能具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)其內(nèi)部功率電路配囂的4 q訂jn以分為4類：h型（內(nèi)部封裝一個(gè)igbt）

45、、d型（內(nèi)部封裝兩個(gè)i gbt）、c型（內(nèi)部封裝六個(gè)igbt）、r型（內(nèi)部封裝七個(gè)i gbt）;根據(jù)其絕緣封裝的不同分為兩類：小功率的i pm使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的i pm使用陶瓷絕緣。（2）1pm內(nèi)部功能機(jī)制隔離電路由用廣提供ipm智能模塊門極控制門極驅(qū)動(dòng)欠壓過流、短路i隔離功率輸入1輸入信號1曠一薯叫隔離接u電路1故障信號?。k 1巾滴榆i隔離接口電路1 .過熱q漏府榆f幽2 3 i pm的功能框圖i pm的功能框圖如圖2 3所示，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，隔離接口電路需要用戶自己設(shè)計(jì)。i pmlaj置了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，使系統(tǒng)硬件電路簡單門丁靠，縮短了系統(tǒng)幵發(fā)時(shí)問，并提高了故障下的白保

46、護(hù)能力，與普通i g b t模塊相比,ipm在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)。如果i pm模塊其中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，i g b t柵極驅(qū)動(dòng)單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號（），各種保護(hù)功能介紹如卜一，d控制1u壓欠壓保護(hù)（uv）： i pm使用單一的+ 15 v供電，若供電電壓低于1 2. 5 v且時(shí)問超過toff=10ms,發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號；圖2 4 1 pm短路、過流保護(hù)操過溫保護(hù)（0t）:在靠近i gbt芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，若i pm溫度傳感器測出其基板的溫度超過過

47、溫溫度值時(shí)，發(fā)生過溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號；過流保護(hù)（0 c ）:若流過i g b t的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過f發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號。為避免發(fā)f 1三過大的孚，火多數(shù)i pm采用兩級關(guān)斷模式，過流保護(hù)和短dr路保護(hù)操作可參閱圖2 4,其中為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)電壓，k.為短路電流值，k為過流電流值，比為集電極電流，1f0為故障輸出電流;短路保護(hù)（s c ）:若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過i gbt的電流值超過短路動(dòng)作電流，立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號；跟過流保護(hù)一群，為避免發(fā)生過大的罷，大“ f多數(shù)i pm采用兩級關(guān)斷模

48、式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測和故障動(dòng)作問的響應(yīng)時(shí)間，i pm內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路（rtc），使響應(yīng)時(shí)問小于10 0ns,從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。當(dāng)ipm發(fā)生uv、oc、ot、sc任一 故障時(shí)，其故障輸出信號持續(xù)時(shí)間f。，=1. 8ms （ s c持續(xù)時(shí)問會長些），此時(shí)問內(nèi)i pm會封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷i pm；故障輸出信號持續(xù)時(shí)間f。結(jié)束后，ipm內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道開放?？?j以看出，器件自身產(chǎn)，卜的故障信號是非保持性的，如果r。，結(jié)束后故障源仍舊沒有排除，i pm就會重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作

49、，岡此僅靠i pm內(nèi)部保護(hù)電路不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)，要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。ipm驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路是ipm主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。以pm100dsa120 為例進(jìn)行介紹。pm100dsa120是一種d型的i pm,內(nèi)部封裝了兩個(gè)i g b t,工作在1 2 0 0 v / 1 0a以下，功率器件的開關(guān)頻率最大為2 0 khz。由于ipm內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)電路，與i g b t驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便，只要能提供1 5 v直流電壓即_口 j 一。但是i pm對驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓

50、要求“很”嚴(yán)格，具體的要求是： 驅(qū)動(dòng)電壓范圍1 5 v_1 0%,電壓低于1 3. 5 v將發(fā)生欠壓保護(hù)(uv)，電壓高于1 6. 5 v將可能損壞內(nèi)部部件；驅(qū)動(dòng)電壓相互隔離，以避免地線噪聲干擾；驅(qū)動(dòng)電源絕緣電壓至少是2倍i pm極間反向耐壓值(2 v c e s );驅(qū)動(dòng)電流可以參閱器件給出的2 0 khz驅(qū)動(dòng)電流要求，根據(jù)實(shí)際的開關(guān)頻率加以修正；驅(qū)動(dòng)電路輸出端濾波電容不能太驅(qū)動(dòng)電路。塑堅(jiān)查堂嬰.！二蘭垡絲蘭大，這是因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過10 0p f時(shí)，噪聲干擾將口j 能誤觸發(fā)內(nèi)部這里介紹。種獲得高質(zhì)_量1 5 v電源的方案，該方案驅(qū)動(dòng)電路不僅結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，而且抗擾能力強(qiáng)，可以獲得高質(zhì)量的驅(qū)

51、動(dòng)電源滿足i pm的需要，典型電路如圖2 一 5所示3 6 3 7】。j割2 5 i pm驅(qū)動(dòng)電路和外罔隔離電路圖巾各器件類型和參數(shù)已經(jīng)標(biāo)出，其中m 5 7 1 4 0. 0 1和m 5 712 0 l是三菱公司為其i pm系列產(chǎn)品專門配置的電壓變換模塊，在m5 7 1 2 0 l的輸入端加一路1 1 3 v到4 0 0 v的直流電壓可以在輸出端得到一路2 0 v的直流電壓，在m 5 7 1 4 0 0 1輸入端加一路18 v到2 2 v的直流電壓，輸出端町以得到4路相互隔離的1 5 v電壓，方便的為i pm供電；hcpl4 5 04和pc81 7是高速光耦，起到電氣隔離i pm與外部電路的作

52、用，i pm的控制信號c.。和故障輸出信號f。，通過光耦傳輸。，1在應(yīng)用要求不高的場合也可以用常用的整流電路得到2 0 v直流電壓取代m 5 7 1 2 0作為m 5 7 1 4 0 - 0 1的輸入端，也可以采用整流電路直接得到1 5 v直流電壓為pm 1 0 0 d s a 1 2 0供電，但效果不如圖示方案，實(shí)踐應(yīng)用屮也證明了這一點(diǎn)。ipm保護(hù)電路的設(shè)計(jì)完善的系統(tǒng)保護(hù)不能只依靠i pm的內(nèi)部保護(hù)機(jī)制，需要輔助外圍的保護(hù)電路，這可以通過硬件的方式實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)。(1) ipm保護(hù)電路的硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)方式很多，列舉兩12 01 9個(gè)例子說明。方案一pwm接口電路前置 74hc2

53、4 5, 7 4 h c 2 4 4等帶控制端的三態(tài)收發(fā)器，whc24 1 0圖2 6 i pm外圍保護(hù)電路如圖2 6所示。i pm的控制信號要經(jīng)7 4 hc 2 4 5輸入，7 4hc 2 4 5的輸出送至i pm接口電路；各個(gè)i pm的故障輸出信號經(jīng)光耦隔離輸出后得到高電平,送入或門，或門輸出經(jīng)過rc低通濾波器后，送入7 4 hc 2 4 5使能端妞。i pm正常工作時(shí)，或門輸出為低電平，7 4 hc 2 4 5選通；i pm故障報(bào)警時(shí)，或門輸出為高電平，7 4hc 2 4 5所有輸出置為高阻，封鎖各個(gè)i pm的控制信號，關(guān)斷i pm，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。方案二pwm接口電路前置一級帶控制端的光耦，如6n1 3 7。原理與方案類似，只是由于高電平使能控光耦合6 n 1 3 7,或門換成了或非門，其輸出經(jīng)過月一c低通濾波器后，送入j,可控光耦合6n 1 3 7的光耦使能端，同樣可以在i pm故障報(bào)警時(shí)封鎖i pm的控制信號通道，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。需要注意的是為縮短故障響應(yīng)時(shí)間，尺一 c低通濾波器時(shí)間常數(shù)應(yīng)該小，兩級光耦延長了響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)選用高速光耦。以上兩種方案都是利用i pm故障輸出信號，封鎖i pm的控制信號通道，因而彌補(bǔ)