开关磁阻电机驱动电源设计

图 ! 中每相有两个开关管和两个续流二极管， 绕组位于两个开关管之间，从根本上避免了功率管 的直通短路现象， 简化了功率电路的保护电路， 既降 低了成本， 又提高了工作可靠性。 工作时两个开关管 同时导通和关断， 以 ! 相为例， 当开关管 ’C 和 ’D 导 通时， 二极管 ’=C 和 ’=4 截止， 经整流后的直流电 压加至 ! 相绕组两端， 产生相电流 "!， 当 ’C 和 ’D 关 断时， 通过 ! 相绕组产生下正上负的变压器电动势， ’=C 和 ’=4 及直流端的储能电容 #< 进行续流。 图 ! 示出三相 >?@ 功率变换的功率回路。 在不 对称半桥线路中， 相与相之间实际上是完全独立的， 对绕组相数没有任何限制，同时主开关管的额定电 压与电动机绕组的额定电压近似相等，所以这种线 路用足了开关管的额定电压，有效的全部电源电压 可用于控制相绕组电流。
作 者 简 介 ! 黄 海 宏 G:>g=eh ! 男 ! 工 学 硕 士 ! 讲 师 ! 研 究 方 向为电机控制 "
#$& 工作原理 “磁阻最小原理” !)6 运行原理遵循 8 即磁通总 是沿磁阻最 小的路径闭 合， 因磁场扭 曲而产生切 向磁拉力， 如 ［:］ 图 ; 开关磁阻电机单相通电原理图 图 ; 所示 。 （只 画出一相） 当 ! 相 "’" 绕组电流控制开关 3:， 3; 闭合时， ! 相励磁所产生的 磁场力图使转子旋转到转子极轴线与定子极轴线重 合位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。若依次按 !!"!# 相绕组通电，则转子按逆时针方向连续转 动； 若依次按 "!!!# 相绕组通电， 则转子沿顺时针 方向转动。 由于电磁转矩为磁阻性质， 3)6 的转向与相绕 组的电流方向无关， 它仅取决于相绕组通电的顺序。 当 3:， 3; 接通时， ! 相绕组从直流电源 $ 吸收电能， 而当 3:， 3; 断开时，绕组电流通过续流二极管 </:， :5=
路中每桥臂两个功率开关直接跨接在直流电源侧， 若发生直通短路+ 则会烧毁功率元件。因 >?@ 转矩 方向与绕组电流方向无关，仅取决于相绕组通电的 顺序， 即只需单方向绕组电流， 所以图 ! 所示的不对 称半桥线路应是 >?@ 驱动电源的首选功率回路A$B。
图 D 控制电路 H5I 部分 图 ! 不对称半桥线路
第 !" 卷第 # 期
电力电子技术
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$%%& 年 $ 月
5(6.0 7).890(:;8<
’=4 将剩余能量回馈给电源。
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不对称半桥变换器
在异步电动机变频调速系统中，变换器功率电
、 入 H5I 输 出 的 功 率 开 关 管 驱 动 信 号 （EJ !HK） 输出为带调制的 5L@ 信号及功率回路的过流信号， 驱动信号。当发生过流时， 可迅速关断驱动信号， 实 现过流保护。 为避免强电信号干扰控制回路， 同时考
滤波电感电流 )*@ +9,9( 受各相负载的制约不再满足 )/%! 相位关系。此时， %&.))A=， %,.))?=， %(.))B=， !&, .))!:!?! ， !,( .)/):!)! ， !(& .))’:)?! ， !-C .%:’&=， !!C.):!)!。图 A 示出高频软开关三相逆变电源带三 相 )?%D额定负载时的试验波形。图中， %&( %,( %( 满 足相位相差 )/%! 的关系， 但输出电压削顶， )*@ &( )*@, ( )*@( 部分饱和。
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!
引
言
率变换器中主开关器件的工作状态， 实现对 !)6 运 行状态的控制。
开关磁阻电动机调速系统 （!"#$%&’( )*+,%$-.%* 简称 3)/） 是 45 年代中期发展起来的新型交 /012*， 流调速系统。开关磁阻电动机 （3"1$%&*( )*+,%$-.%* 简称 ） 结构简单坚固， 转子上没有任何 67$708 3)6 形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电动机制造过程 中鼠笼铸造不良和使用中的断条等问题。其转子机 械弹度极高， 可用于超高速运转； 其定子只有几个集 中绕组， 因此制造简便， 绝缘容易。该系统调速范围 宽， 调速性能优异， 且在整个调速范围内具有较高的 效率， 系统可靠性也高， 因此 3)/ 已成为当代各国 研究和开发的热点之一。
第 => 卷第 : 期
电力电子技术
<7+C=>NK7C: i[‘0,-0\N;55?
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开关磁阻电机驱动电源设计
黄海宏 ! 王海欣 ! 张志全
（合肥工业大学，安徽 合肥 ;=555>）
摘要 !介绍了开关磁阻电动机的工作原理， 提供了一套开关磁阻电动机的驱动电源电路。该电路功率变换器采
#
位置传感器
位置检测的目的是确定定、 转子的相对位置， 然 后将位置信号反馈至逻辑控制电路，控制各相主开
开关磁阻电机驱动电源设计
关器件进行相应的逻辑切换，以确定对应相绕组的 通断。 本系统采用开关型霍尔元件作为位置传感器， 结构简单， 电路实现容易。 转子上固定 "# 块永磁体， 定子上霍尔元件贴片相距 $%!， 如图 & 所示。
图 : !)/ 基本构成
" #$% 基本构成和 #$& 工作原理
#$% 基本构成 3)6 不能像鼠笼式感应电动机那样直接接入 电网作稳态运行， 而必须与控制器一起使用。 从功能 部件上分， 位置传感器、 功率变换器和 3)/ 由 3)6、 ［:］ 控制电路 9 部分组成。其基本构成框图见图 : 。 功率变换器由蓄电池或由交流电经整流后得到 的直流电供电， 向 !)6 提供旋转所需的能量。控制 电路是系统的中枢， 它综合处理速度指令、 速度反馈 信号及电流传感器、 位置传感器的反馈信息， 控制功 "’! !!!!!! 定稿日期 !;559e5fe;?
!
试验和仿真结果比较
图 ! 示
出 电 流 斩 波控 制 方 式 下电 机 转 速 为 $ ./%%% 01 234 时 仿 真 和试 验 电 流 波形比较。
图 ! 试验和仿真电流波形比较
"
图 & 位置传感器检测转子位置
结束语
针对开关磁阻电动机的特性，提出了一整套不
如 图 ’ 所 示 (! 相传感器信号滞后 " 相 )*%! 电 角 度 ； # 相传感器信号滞后 图 ’ 位置传感器的输出信号波形 ! 相 )*%! 电 角 度 。 根据传感器提供的信号， +,- 计算出相应的导通 相， 同时根据其变化率也可计算出电机转速， 进行调 速控制。
用不对称半桥方式， 以 ?: 单片机作为控制器的核心， 采集位置传感器的反馈信号， 控制每相绕组的励磁顺序， 实现 对开关磁阻电动机的调速控制。
关键词 ! 电动机 @ 开关磁阻电动机；驱动电源A 不对称半桥 中图分类号 !B6=5:C;A B6=?; 文献标识码 !D 文章编号 !:555E:55FG;55?H5:E5:5=E5=
对称半桥驱动电源系统， 仿真和实验表明， 该驱动电 源系统极具应用价值。
参考文献
5)6 5/6 吴建华 "开关磁阻电机设计与应用576" 北京 8 机械工业出 版社9/%%%: 王宏华 "开关磁阻电动机调速技术576" 北京 8 机械工业出 版社()!!’:
! 上接第 ’; 页 "
臂功率开关在其漏#源电压为零时开关， 实现了 <=> 开通与关断。 图 ? 示出 /&= 输入电压时9组合式三相高频脉 冲直流环节逆变器带阻性不平衡相负载时试验波 形。由图 ? 可知： 相位相差 %& 9% ’9 %( 满足幅值相等、 具有很强的带不平衡负载能力， 但输出 )/%!的关系，
图 Q 过流检测电路
控制电路采用单片机 EFG"H&$ 作为 H5I， 如图 根 D 所示。单片机通过 5% 口采集位置传感器信号， 据其信号，计算出对应的功率管驱动信号（EJ ! 。同时通过内部定时器发出周期固定、 占空比可 HK） 调的 5L@ 调制波。 外部中断 M,F% 接入功率回路的 过流保护信号 NK， 当发生过流时， 减小 5L@ 的占 空比。为防止受强电干扰而导致 H5I 程序跑飞， 外 置 @EOG#!K 看门狗电路。程序正常运行时， H5I 通 过 5#P 输出定期翻转的方波信号， 将看门狗电路清 零， 其 ?7>7F 脚保持低电平； 若 5#P 电平超过 #*Q< 保持不变，则看门狗电路的 ?7>7F 输出为高， 将 H5I 复位。图 & 示出功率开关管驱动电路。 图中 NEK#Q’G 为可编程逻辑器件， 其输入端接 #%D
!!!图 ; & 相空载、 , 相半载、 ( 相满载时%&(%,(%(( )*@ &()*@ ,()*@ ( 波形
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图 A );%D额定负载时三相 %&(%,(%(( )*@ &()*@ ,()*@ ( 波形
"
结
论
工程应用价值。
参考文献
5)6 N 7 OPQ4R: >SRTU2 HUR3V4 +C4R3WU0PT3C4R @C0 P K3VQ ,CXU0 GU0CRYPZU [URC4P4T \34F +C4]U0TU05O6: ^___ N0P4R‘ C4 ,_9 "!!$9 （ ’ J） 8 AA$$A&"‘ 机械工业出 5*6 陈道炼‘H+aG+ 逆变技术及其应用576:北京： 版社， /%%E: 5E6 陈道炼: 有源箝位正激变换器稳态分析与小信号特性5O6: 电工技术学报， （B） ： /%%%， )? B%$B#:
理论分析与试验表明， 所 研 制 的 EF=G /&= H+I/%%= J%%KL G+ 高频软开关三相逆变电源具有 体积重量小， 变换效率高， 静态精度高， 动态响应快， 输入电压范围宽， 输出波形质量高， 过载与短路能力 强， 带不同性质负载和带三相不平衡负载的能力强、 每相独立控制、 易实现模块化结构、 在线热更换、 .M) 模块冗余技术等优良的综合性能，具有重要的
将分流器接在下桥臂 MNRF 的 $ 端和直流地之 间， 检测流经 MNRF 的电流。分流器信号经 ?H 滤波 并放大后与可设的基准比较（调节电位器 %5# 可改 变过流保护数值） ， 若超过基准， 则比较器输出电平 翻转， 在发光管告警的同时， 将告警信号通过高速光 耦 Q,#!P 传送到控制电路， 分别进入 H5I 的外部中 断和 NEK#Q’G 的输入， 将驱动信号封锁， 进行过流 保护， 并降低 5L@ 的占空比。 通过 ’#& 和 %# 形成滞 环回路，只有在主回路电流低于所设基准的某个值 时才进行保护释放。
图 & 功率开关管驱动电路
虑到功率开关管上下桥的不共地驱动，在控制回路 和驱动回路间通过高速光耦 Q,#!" 隔离。功率回路 中的开关管采用 MNRF，因此将 Q,#!" 次级的信号 通过接成施密特电路形式的 ,7&&&，即形成 MNRF 的驱动信号。图 Q 示出功率回路的过流检测电路。
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控制及驱动电路