4 开关磁阻电机电驱动系统解析

q5
基于理想线性模型的SR电动机分析
q=0 q1(q5) q2 q3 q4
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q1
0
定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置
q2 q3 q0 q4
q5
特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感 在Lmax 和Lmin之间线性地变化 。
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SR电机转矩的分段线性解析式：
=L i
W’=i /2 = L i 2/2
0 2 KT i T 0 K i 2 T
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0 q q2Hale Waihona Puke Baidu
q2 q q3 03 q q 4
相数与转矩、性能关系：
相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、 四相，还有学者在研究两相、单相SRM。
低于三相的SRM 没有自起动能力！
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常用开关磁阻电机方案结构
两相 4/2结构
四相 8/6结构
三相 6/4结构
六相 12/10结构
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4.14 开关磁阻电机基本方程及性能
对功率变换器主电路的要求
（1）较少数量的主开关元件； （2）可将全部电源电压加给电动机相绕组； （3）主开关器件的电压额定值与电动机接近； （4）具备迅速增加相绕组电流的能力； （5）可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； （6）能将能量回馈给电源。
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4.16 开关磁阻电动机功率变换器
电阻压降 感应电动势 （电流变化） 运动电动势 (转子位置改变)
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机械运动方程：
dq dq Te J 2 D TL dt dt
2
式中 Te——电磁转矩；
J——系统的转动惯量； D——摩擦系数；
TL——负载转矩。
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电磁转矩：
SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：
rotor
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q2
基于理想线性模型的SR电动机分析
q = q3位置
stator
rotor
q3
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基于理想线性模型的SR电动机分析
q = q4位置
stator
rotor
q4
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基于理想线性模型的SR电动机分析
q = q6位置
stator
rotor
电动汽车电驱动技术
q
4.15 开关磁阻电动机的控制策略
APC运行时Tav与qon、qoff的关系
T
qon 增大
O
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qoff
4.15 开关磁阻电动机的控制策略
控制方式的合理选择
电流斩波可控区
起动斩波 0 0
定角度斩波
变角度斩波
APC 控制 1 Cmax
n
Amin
2
可变角度运行区
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2、H桥型
工作制：AB-BC-CD-DA
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4.16 开关磁阻电动机功率变换器
主电路工作方式
4相8/6极SR电机主电路
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4.16 开关磁阻电动机功率变换器
单管斩波方式
V0导通
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V0关断
4.16 开关磁阻电动机功率变换器
四相斩波方式
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12/8 极三相开关磁阻电动机
电动汽车电驱动技术
12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
电动汽车电驱动技术
12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
电 源
功率变换器
SR 电动机
负 载
电流检测
位置检测
控制信号
控制器
SRD
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开关磁阻电机结构
转子凸极 转子
定子凸极及绕组
定子
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开关磁阻电机结构特点
双凸极结构 定子集中绕组 转子无绕组 转子无永磁体
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4.12 开关磁阻电机工作原理
磁阻最小原理 磁通总要沿着磁阻 最小路径闭合，一 定形状的铁心在移 动到最小磁阻位置 时，必定使自己的 轴线与主磁场的轴 线重合。 气隙 N +
4.16 开关磁阻电动机功率变换器
两相斩波方式
斩波：V1关断，续流
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换相：V2关断，V1导通
4.17 开关磁阻电动机控制系统实现
- US +
i* ASR - i ACR 逻辑控制 PWM 逻辑 “与” 放 大 驱 动 功率 变换器 SRM 位置 传感器
* + -
T* 控制模 + 式选择 qon , qoff
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4.15 开关磁阻电动机的控制策略
设定电流上、下幅值的斩波图
i Imax
Imin
O
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q
4.15 开关磁阻电动机的控制策略
设定电流上限和关断时间斩波图
i Imax
O
电动汽车电驱动技术
q
4.15 开关磁阻电动机的控制策略
PWM斩波调压控制的电流波形
i
O
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12/8 极三相开关磁阻电动机
C B A A B C A
C
B A
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B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
C B A A B C A
C
B A
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B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
C B A A B C A
C
B A
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B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
规律总结：
1、依次给A-C-B绕组通电，转子逆励磁顺序方向旋 转；
2、转矩方向与电流无关；
3、需要根据定、转子相对位置励磁。需要与控制器 一同使用； 4、通电一周期，转过一个转子极距角：tr=360/Nr；
5、步距角： qb=tr/m=360/(mNr)
4.16 开关磁阻电动机功率变换器
• 功率变换器是直流电源和SRM的接口，起着将电 能分配到SRM绕组中的作用，同时接受控制器的
控制。
• 由于SRM遵循“最小磁阻原理”工作，因此只需
要单极性供电的功率变换器。功率变换器应能迅
速从电源接受电能，又能迅速向电源回馈能量。
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4.16 开关磁阻电动机功率变换器
04 q q 5
典型电流波形
qon<q2 : 在电感上升前开通， 迅速建立电流，以获得足够 转矩
q>q2 :电感上升，使绕组电流下降 qoff<q3 : 在电感达最大之前，绕组 关断，绕组续流。 q3<qz<q4 (θ z=2θ off-θ on) 在电感下降之前，续流结 束。否则会产生反向转矩
第4章 电驱动系统
4.11开关磁阻电机结构组成
4.12开关磁阻电机工作原理
4.13开关磁阻电动机的相数与结构
4.14开关磁阻电机基本方程与性能
4.15开关磁阻电机控制策略 4.16开关磁阻电机功率变换器 4.17开关磁阻电机控制系统实现
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4.11 开关磁阻电机结构组成
开关磁阻电机驱动系统组成
C B A A B C A
C
B A
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B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
C B A A B C A
C
B A
电动汽车电驱动技术
B C
12/8 极三相开关磁阻电动机
电动汽车电驱动技术
12/8 极三相开关磁阻电动机
电动汽车电驱动技术
12/8 极三相开关磁阻电动机
电动汽车电驱动技术
12/8 极三相开关磁阻电动机
k ——第 k 相磁链。
磁链方程:
式中
k Lk (q k , ik )ik
Lk ——第 k 相绕组电感；
q k ——转子角度；
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电路方程
k dik k dq U k Rk ik ik dt q dt Lk dik Lk dq Rk ik Lk ik i dt ik q dt k
q1
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0
q2 q3 q0 q4
q5
基于理想线性模型的SR电动机分析
q = q1位置
stator
rotor
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q1
基于理想线性模型的SR电动机分析
q = 0 位置
stator
rotor
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q=0o
基于理想线性模型的SR电动机分析
q = q2位置
stator
30
60 q
导通相控制 D A
B
C
D
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SR电动机的矩角特性
两相起动时合成转矩波形
Te DA AB BC CD
O
30
60 q
导通相控制 A D
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C B D
4.15 开关磁阻电动机的控制策略
*基速以下，电流斩波控制(CCC)，输出恒转矩 可控量为：Us、 qon 、qoff 控制法1：固定qon ,qoff，通过电流斩波限制电流， 得到恒转矩 控制法2：固定qon ,qoff，由速度设定值和实际值 之差调制Us，进而改变转矩 *基速以上，角度位置控制(APC)，输出恒功率
R1 i1 d1/dt t1 . . . im dm/dt
+ u1
K 耦合磁场 Te
J TL
-
+ um
Rm
-
SRM系统示意图
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电路方程
第k相绕组的相电压平衡方程: d k
式中
dt uk ——第 k 相端电压； i k ——第 k 相电流；
Rk ——第 k 相电阻；
u k Rk i k
S -
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4.12 开关磁阻电机工作原理
A-A′通电 → 1-1′ 与A-A′重合
B-B′通电 → 2-2′与B-B′重合
C-C′通电 → 3-3′ 与C-C′重合 D-D′ 通电 → 1-1′与D-D′重合
依次给A-B-C-D绕组通电，转子逆励磁顺序方向旋转。
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正反转指令
转速计算
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4.17 开关磁阻电动机控制系统实现
键盘电路 显示电路 故障检测电路 位置、速度信 号检测电路 EPROM 和 E2PROM 电路 P0 相控信号 输出电路
HSO
PWM
HSI
电流斩波与过 流保护电路
ACH4
电流检测电路
逻 辑 综 合 电 路
晶振和复位 电路
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准线性模型分析
实际磁化曲线
分段线性磁化曲线
两段线性处理：一段为饱和段，视为与q=0的位置的磁 化曲线平行,斜率为Lmin；一段为非饱和段，为L(q,i)的 不饱和段。
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准线性模型绕阻电感
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SR电动机的矩角特性
四相SR电动机的矩角特性
Te D Tstmin O A B C D
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12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
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12/8 极三相开关磁阻电动机
Wc (i,q ) Te q
磁共能的表达式为：
Wc (i,q )di
0
i
SR电机的平均电磁转矩Tav
mN r Tav 2
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2 / N r
0
Te (i,q )dq
基于理想线性模型的SR电动机分析
线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关， 此时电感只与转子位置有关。
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4.13 开关磁阻电动机的相数与结构
N s 2km N r N s 2k )
相数与极数关系：
定子和转子齿槽数应为偶数。 定子和转子齿槽数不相等。 定子和转子齿槽数尽量接近。
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4.13 开关磁阻电动机的相数与结构
开关磁阻电机常用方案 相数 定子极数 转子极数 步进角(度) 3 6 4 30 4 5 8 10 6 8 15 9 6 12 10 6 7 14 12 4.28 8 16 14 3.21 9 18 16 2.5
SR电机绕组电感的分段线性解析式：
q1 q q 2 Lmin K (q q ) L q2 q q3 2 min L(q ) L q q q max 3 4 L K (q q ) q q q 4 4 5 max
K=(Lmax-Lmin)/(q3-q2)= (Lmax-Lmin)/s
1、双开关型
+ VD1 VT1
US VD2
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4.16 开关磁阻电动机功率变换器
+ VD1 A VT4 VD4 VT5 VT1 VD2 B VD5 VT6 VT2 VD3 C VD6 VT3
US
双开关型主电路又称为不对称半桥型主电路
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4.16 开关磁阻电动机功率变换器