矩角特性的
torque-angle property
矩角特性的
基于3个网页-
提出一种大功率开关磁阻电机静态矩角特性试验的简易方法。
A simple method of high-power switch reluctance motor's static moments angle characteristics was presented.
计算结果证明：两自由度电机的矩角特性计算程序是正确可行的，两自由度电动机的各项结构参数符合设计要求。
The results prove that Fortran program of static characteristic in two-degree-of-freedom motor is correct and available.
论文设计了永磁齿轮传动机构的实验装置，验证了永磁齿轮的矩角特性。
Based on these results, the magnet gear is designed and verified by comparing the analysis result with the experimental data.
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400KW开关磁阻电机的开发
分类号密级UDC编号中国科学院研究生院 硕士学位论文400KW/1140V 开关磁阻电机调速系统的 开关磁阻电机调速系统的研究与开发丁金龙指导教师 高超 教授级高级工程师 北京中纺锐力机电有限公司 缪青海 博士 中科院研究生院计算与通信工程学院 学科专业名称 论文答辩日期 控制工程 申请学位级别 工程硕士 工程硕士 论文提交日期 培养单位 学位授予单位 中国科学院研究生院计算与通信工程学院 中国科学院研究生院计算与通信工程学院 中国科学院研究生院答辩委员会主席独 创 性 声 明本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位 论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国 科学院研究生院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。 对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。签名：__________日期：_____关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院研究生院有关保管、 使用学位论文的规定， 其中包 括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被 查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可 以公布学位论文的全部或部分内容。 （涉密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：_______________导师签名：_______________ 日期：_______________摘 要摘 要随着我国工业的发展， 设备技术水平的提高， 以及国家节能减排号召的提出， 越来越多的大型设备需要调速运行，如大功率矿山装载机械、提升设备，大吨位 锻造设备，大功率风机、水泵的节能运行等，这些应用都要求调速系统具有大输 出功率和高可靠性。开关磁阻电机调速系统（SRD），以其启动转矩大、可靠性 高等良好工作特性， 在上述工业设备的驱动中具有广泛的应用前景， 本文在 SRD 传统应用的基础上，提出进行中压大功率 SRD 的研究开发，充分发挥开关磁阻 电机的优势，以满足工业大功率调速应用的需要。 论文首先采用了 CAD 对电机电磁参数进行仿真设计，改进其结构工艺，以 满足中压大功率开关磁阻电动机的运行要求；其次，控制电路采用了以 DSP 为 核心的全数字控制电路，对不同速度段采用优化的控制方式，提高了系统效率； 系统具备 CAN 总线通讯接口，方便接入现场总线控制以及实现双机或多机的转 矩同步或转速同步控制。论文针对开关磁阻电机非线性、建模困难的特点，提出 转矩/电流近似控制方法，提高了转矩控制精度。此外，中压电力电子电路设计 使系统具备四象限工作能力； 驱动部分采用了基于光纤技术的大功率 IGBT 驱动 方案，并根据大功率 SRD 的电磁兼容特点开发了高可靠性的开关电源，实现了 系统稳定运行。 本文研制的四象限 400KW/1140V 开关磁阻电机调速系统，目前已经在国内 转化为实用的大功率等级 SRD 产品，经过现场的工业运行试验表明，该系统启 动性能好、可靠性高、节能效果显著。同时，在现有系统的基础上，可以通过对 电机的多端口设计，很方便的实现更大功率等级的 SRD 应用。关键词： 关键词：开关磁阻电机调速系统，中压大功率，DSP 控制IAbstractAbstractWith the development of industry, machines such as high-power mining loading machinery, lifting equipment, large-tonnage forging equipment, high-power fans and pumps running etc, have been used widely across whole country, as a result, the energy consumption keeps on rising. In order to save energy, as well as reducing pollution, we must adopt new technology. Switched Reluctance Motor Drive System （short for SRD）, feathered with large starting torque output and high reliability, is a good choice to be used as drive system of industrial equipments like coal-mining machine, planer, metal-forming machine, winch, belt-conveyer industrial facilities. The research on design and implement of SRD, which this paper addressed on, is valuable. The main work of this thesis is a medium-voltage high-power SRD, introduced as follows. First, in order to reach medium-voltage high-power SRD operation requirements of industrial application of high-power speed, motor electromagnetic parameters were analyzed, designed and improved based on CAD simulation. Second, the control circuit was based on DSP core, adopting the optimization control method in different speed segments, which improved the system efficiency. CAN bus communication interface was adopted to implement industrial field bus control and implement multi-motor speed torque synchronous control. Third, in order to address the nonlinear problem in modeling of switched reluctance motor, the paper introduced the characteristic of torque/current approximate control method, which improved the torque control precision. In addition, the SRD system was designed to be medium voltage power electronic circuits with four quadrant work ability, optical fiber technology based high-power IGBT driving scheme, and high reliability. The SRD proposed by this thesis is among the largest power level of practical SRD products in China. The industrial operation in field showed that the system has good performance on startup, high reliability, and remarkable energy-saving effect.IIAbstractKey Words: Switched Reluctance Motor Drive System, medium-voltage high-power, DSP controlIII目录目录摘 要....................................................................I Abstract ................................................................II 第一章 绪论............................................................1 1.1 开关磁阻电机调速系统发展概况 .............................. 1 1.1.1 开关磁阻电机调速系统国内外研究历史 .................... 1 1.1.2 目前常用磁阻式电机的基本结构 .......................... 2 1.1.3 开关磁阻电机调速系统的基本工作原理 .................... 3 1.1.4 开关磁阻电机调速系统的特点 ............................ 4 1.1.5 开关磁阻电机调速系统的主要研究方向 .................... 5 1.2 国内外 SRD 产品现状 ........................................ 9 1.2.1 国外 SRD 产品现状 ...................................... 9 1.2.2 国内技术发展水平、现状及产品 ......................... 10 1.3 本课题的意义 ............................................. 11 1.3.1 常用调速系统性能比较 ................................. 11 1.3.2 本课题解决的问题 ..................................... 12 1.4 本文主要研究内容 ......................................... 13 第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计...................................15 2.1 开关磁阻电动机的数学模型 ................................. 15 2.1.1 磁储能与磁共能的定义 ................................. 15 2.1.2 磁阻电机中磁场能转换为机械力的原理 ................... 17 2.1.3 基本转矩计算 ......................................... 19 2.2 大功率开关磁阻电动机设计简介 ............................. 25 2.2.1 结构参数设计 ......................................... 25 2.2.2 电磁参数设计 ......................................... 25 2.2.3 电动机工艺设计 ....................................... 27 2.3 小结 ..................................................... 27 第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计.....................................28 3.1 四象限开关磁阻控制器系统结构 ............................. 28 3.2 功率变换器拓扑型式 ....................................... 29 3.3 驱动电路设计 ............................................. 30 3.3.1 IGBT 驱动电路分析 ..................................... 30 3.3.2 光纤隔离驱动技术应用 ................................. 31 3.3.3 驱动性能测试 ......................................... 33 3.4 大功率 SRD 控制电源设计 ................................... 35 3.4.1 中小功率 SRD 开关电源方案 ............................. 35 3.4.2 中压大功率 SRD 开关电源解决方案 ....................... 37 I目录3.5 整流单元可靠性设计 ....................................... 39 3.6 小结 ..................................................... 41 第四章 基于 DSP 的控制电路设计.........................................42 4.1 开关磁阻电机控制电路系统结构 ............................. 42 4.2 DSP 及其接口电路 ......................................... 43 4.2.1 控制核心 CPU 采用 DSP 实现 ............................. 43 4.2.2 接口电路设计 ......................................... 44 4.3 关磁阻电机调速系统的控制策略 ............................. 47 4.3.1 基本控制方式介绍 ..................................... 47 4.3.2 控制策略研究 ......................................... 52 4.3.3 控制软件框架及流程 ................................... 55 4.4 小结 ..................................................... 57 第五章 中压大功率 SRD 的型式试验及分析.................................58 5.1 外壳及冷却设计 ........................................... 58 5.2 多机同步设计 ............................................. 59 5.3 工控系统设计 ............................................. 62 5.4 样机主要技术参数 ......................................... 62 5.5 测试装置介绍 ............................................. 62 5.6 系统型式试验 ............................................. 63 5.6.1 恒转矩特性试验 ....................................... 63 5.6.2 转速精度试验 ......................................... 64 5.6.3 系统效率测试 ......................................... 65 5.6.4 电磁兼容试验 ......................................... 65 5.7 工业运行试验 ............................................. 67 5.7.1 调速运行试验 ......................................... 68 5.7.2 启动特性试验 ......................................... 68 5.7.3 同步方式试验 ......................................... 68 5.8 小结 ..................................................... 69 第六章 结论与展望.....................................................71 6.1 论文总结 ................................................. 71 6.2 技术展望 ................................................. 72 参 考 文 献..............................................................74 致 谢 ................................................................77 个人简历、 个人简历、在学期间发表的论文与研究成果 ..................................78II第一章 绪论第一章绪论开关磁阻电机调速系统(SRD)是 20 世纪 80 年代迅猛发展起来的一种新型调 速电机驱动系统， 它集开关磁阻电动机(SRM)、 电力电子技术和控制技术为一体， 具有交流异步电动机的结构简单、坚固耐用，适用于恶劣环境和直流调速系统 的可控性好的优点[1][2]，其产品已应用于煤矿大型设备驱动、电动车驱动、家用 电器、通用工业、航空工业和伺服系统等各个领域，呈现强大的市场潜力。1.1 开关磁阻电机调速系统发展概况1.1.1 开关磁阻电机调速系统国内外研究历史磁阻式电动机的结构非常简单，它诞生于 100 多年以前，因为受限于当时 的控制技术、功率开关元件技术，其效率、功率因数等性能参数不高，实用价 值较低，在当时被认为是一种性能较差的电机[3]。 随着近三十年以来电力电子技术、计算机技术、控制技术的发展，尤其是 解决了电机绕组续流和换向的难题，这种电机又引起了人们的研究兴趣。上个 世纪七十年代，美国福特电动机（Ford Motor）公司以晶闸管作为功率电路元件 首先研制出了开关磁阻电机调速系统。 七十年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学组成 一研究小组。小组在该系统的理论研究和实践方面做了大量的工作，在原理、 设计、控制等方面提出了较完整的理论和方案[2][4]，发表了一批有影响的论文， Switched Reluctance Motor（Drive）之名就是由他们提出，并得到了公认，我们 可称之为“开关磁阻电动机调速系统”或者“开关磁阻电机调速系统” [5]。 1980 年，里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学合作创办了开关 磁阻电机公司（Switched reluctance Motor Drives Ltd.简称 SRD Ltd.） ，试制成功 多种样机，并经营他们的研究成果。源于 SRD Ltd.技术，1981 年，英国 TASC 公司获准制造该系统，于 1983 推出了名为 OULTON 的通用调速系列产品，其 容量范围 4~22KW。1999 年，SRD Ltd.为了扩大产能，成立了 SRDML(SR DrivesManufacturing Ltd)公司，主要负责生产和销售 SRD Ltd.产品，目前其产品应用遍及工业各个领域， 最大产品生产检测能力达到 350KW。 现归属于 Emerson 旗下。 美国、加拿大、埃及、土耳其等许多国家也都在积极开展 SRD 的研制工作。 1第一章 绪论美 国空 军 和 GE 公司联合 开发 了 航空发电机用 SRD 起动 / 发电机系统 [6] ，有 30Kw/270V 最大转速为 52000r/min 和 250Kw/270V 最大转速为 23000r/min 两种 规格， 取得了良好的应用效果。 SRM 在高速和超高速方面的性能也获得了 NASA 的青睐，被作为优先发展的航空高速驱动电机方案之一[7]。加拿大、前南斯拉夫 在开关磁阻电机运行理论、电磁场分析等方面做了大量研究工作。埃及则对小 功率的单相、两相开关磁阻电机的结构、起动性能等方面进行了许多研究。一 些学者还研究了新型结构的 SRM，如盘式 SRM、外转子式 SRM、直线式 SRM 和无位置传感器 SRM 等[8]。 近几年，随着永磁电机大规模应用于电动汽车，稀土开采量、用量大大增 加。据权威部门统计，永磁电机的重要原料-稀土储量无法支持整个电动车产业， 加上稀土储量大国-中国对稀土进行出口限制，国外再次掀起了开关磁阻电机研 究热潮。据日刊工业新闻社报导，日本东京理工大学千叶明教授已经成功开发 出取代车用永磁电机的开关磁阻电机，该电机采用 18/12 极，转矩密度和重量均 达到了车用要求。作为替代永磁电机的方案，日本大金公司也推出了高性能的 油泵用开关磁阻电机，功率/电压为 2.6KW/220V，采用成熟的 12/8 极结构[9]。 从 1984 年开始，我国许多单位先后开展了开关磁阻电机研究工作，如南京 航空航天大学、山东理工大学、华中科技大学、东南大学、华南理工大学及浙 江大学等高校，北京中纺机电研究所、西安微电机研究所及上海电科所等科研 院所，南京调速电机厂、山东淄博电机二厂、山东科汇开关磁阻电机事业部及 上海中达一斯米克公司等生产企业。 在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管 起步较晚，但是起点较高，研究进展很快，研究目标基本都集中在较为成熟的 三相或四相控制方案上。进入新世纪以来，从检索到的有关 SRD 系统的论文来 看，国内对 SRD 系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设 计理论、优化设计研究阶段。对开关磁阻电机、控制器、功率变换器等的运行 理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。目前国内已有十余 家单位推出不同性能、用途、功率的多种规格系列产品，应用于煤炭、石油、 纺织、冶金、机械、电动汽车等多种行业的数十种生产设备和运输设备中。1.1.2 目前常用磁阻式电机的基本结构开关磁阻电机调速系统 所使 用的磁阻式电动机为定、转子 均 为 双凸极 结构 2第一章 绪论[10]，其定/转子均由硅钢片叠成。定子上缠绕线圈，通过串联、并联或混联，构成相绕组；转子上没有绕组。其相数一般为 N，每相绕组由 Z 个线圈接成(Z 为 偶数)，乘积 NZ 是线卷的总数也是定子的总极数；转子的极数比定子少，一般 为 Z(N-1)。所以，有 6/4 极、12/8 极等多种形式开关磁阻电动机。图 1-1（a）表 示一台 6/4 极三相电动机的截面图，定子上有 6 个极，圆周上相对两个极的绕组 相串联，共构成三相绕组，转子上有 4 个极，没有任何型式的绕组。图 1-1（b） 为一台三相 12/8 极开关磁阻电动机截面图，其工作原理与三相 6/4 极电动机相 同，但通过增加定转子的数量，改善了性能。（a）三相 6/4 极（b）三相 12/8 极图 1-1 三相磁阻电动机截面示意图1.1.3 开关磁阻电机调速系统的基本工作原理磁阻式电动机能够连续旋转工作，还需要配以角位移传感器、功率变换器、 控制电路，这四部分密不可分、协同工作，它们的共同体被称为开关磁阻电机 调速系统，如图 1-2 所示。图 1-2 开关磁阻电机调速系统系统框图角位移传感器一般安装于电机端部。其主要作用是侦测转子的位置，将位置 3第一章 绪论信号提供给控制电路。 控制电路的作用则是根据使用者的操作要求和系统的实际工作情况对系统 进行有关调节，使之满足预定运行工况；功率电路的作用是将电源提供的能量 经过适当的转换后提供给电动机。这两部分一般在产品中作为一个整体，称之 为开关磁阻电机调速系统的驱动装置。 开关磁阻电机调速系统的基本工作原理有点 类似 于大步 距角 的步 进 电动 机，不同的是它是一个转速闭环系统。其基本工作原理可以描述如下： 控制电路接受外部起动命令信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根 据角位移传感器提供的电动机转子位置信号，按起动逻辑给出相应的输出信号， 该信号控制功率电路向电动机绕组供电，使电动机转子开始转动，当转子转过 一定角度时，控制电路根据角位移传感器信号的变化通过功率电路使电动机通 电相序改变，当电动机转速达到一定值时，控制电路从起动逻辑转换为低速运 行逻辑，或从低速逻辑转换为高速逻辑。运行中控制电路测试电动机的转速和 转矩等，并对其进行连续调节。当操作命令改变时，控制电路再次改变工作逻 辑，通过功率电路使电动机实现操作要求。如果工作中出现堵转、过载、缺相 等故障时，控制电路通过功率电路采取故障保护停车，并通过显示电路报警。 开关磁阻电机调速系统是由电动机，角位移传感器，功率电路和控制电路组成 的高性能的机电一体化产品，各部分密切配合，缺一不可，其中每一部分都难 以单独使用。1.1.4 开关磁阻电机调速系统的特点(1) 开关磁阻电机调速系统的优点： 1）结构简单、成本低、适合高速 开关磁阻电动机定子采用集中绕组，转子无绕组，且不采用永磁材料，相 较于其他电动机，结构简单，成本低；由于转子无绕组，坚固可靠，特别适合 于高速运行。 2）功率变换电路设计简单，可靠性高 开关磁阻电动机只需对绕组分相激磁即可产生转矩，不会产生功率开关直 通现象，因此在功率电路设计方面较异步机容易。 3）容错性强 开关式磁阻电动机每相绕组采用独立激磁方式，因此，即使其中某一相发 4第一章 绪论生故障时，电动机仍然可持续运转。 4)效率高、功耗小 SRD 系统是一种非常高效的调速系统。 这是因为一方面电机转子不存在绕组 铜耗，另一方面电机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下 实现高效优化控制。SRD 系统的系统效率在很宽的范围内都在 87%以上，这是其 它一些调速系统不易达到的。 5）高起动转矩、低起动电流 从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大 特点。典型产品的数据是:当达到 150%额定转矩时，只需 30%的额定电流[3]。 6）适用于频繁的起停及正反向转换运行的场合 相对于异步电机，SRM不需要在转子上感应出电流即可启动，因此在需要频 繁启停和正反转的应用场合非常有优势。 (2) 开关磁阻电动机的缺点[11]： 1）转矩脉动大 开关磁阻电动机结构为凸极式，电动机的自感会随着转子位置的转动而改 变，容易产生转矩脉动，并且可以产生人耳可闻噪声。 2）非线性转矩 开关磁阻电动机的转矩与电流的平方成正比，自感与转子的角度变化率成 正比，随着电流的饱和及转子位置的变化，转矩呈非线性特性。 3)电机接线多 由于电机各相绕组独立，相数越多，主接线数越多。 4)需要根据定、转子的相对位置励磁 无位置传感器运行的研究进展缓慢，实用性较差，目前相对位置信号的获 取依然需要采用传感器，这使电机的可靠性打折。 5)电机不能直接接入电网运行 开关磁阻电机必须与控制器一同使用。1.1.5 开关磁阻电机调速系统的主要研究方向开关磁阻电机调速系统同其它调速系统发展历程一样，必须要经历理论研 究阶段，应用阶段，成熟阶段。从前面介绍的SRD研究历史看，目前开关磁阻电 机调速系统的发展应该处于从理论研究走向的应用的过程，理论研究基本围绕 5第一章 绪论应用展开，从而使开关磁阻电机调速系统技术逐步走向成熟。 从应用的角度来反观开关磁阻电机调速系统的研究开发，其现在和未来的 主要研究方向应该主要集中在以下几个方面： (1)电机设计及电机数学模型研究 SRM的非线性使其性能的精确分析和计算较为困难，目前一般使用ANSYS或 ANSOF有限元分析软件进行分析较多[12][13]， 普遍采用二维非线性有限元法分析SRM 内部的饱和磁场， 对电机端部效应做忽略处理。对以磁路为基础的的设计方法研 究不够，现有磁场的方法的精度亦有待提高。 具有快速性优点， 但需要用磁 现在磁路的方法现在多作为工程设计手段[30]， 场的方法校核，最好能考虑端部效应，因此开展SRM三维场的研究很有必要，目 前的仿真软件已经支持3D仿真，对建模需要投入更多的研究。 开关磁阻电机的非线性特点，使其很难用数学模型表达，传统的研究手段 一般采用准线性模型逼近[8]，当前的研究集中在用神经网络[14]、多维系统辨识、 小波模型[19]等各种建模理论的应用。 (2)功率变换器研究 由于SRD系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本[31]， 在小功率大批量的民用产品中此问题尤为突出，因此功率变换器的研究意义重 大。目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用 等方面。 SRD系统功率变换器是由一定数量的电力电子器件按照一定的拓扑结构组 合而成。SRD系统功率变换器研究初期，最少量主开关器件的拓扑结构曾是研究 的热点，这是因为主开关器件的减少，意味者相应的驱动电路、缓冲电路以及 功率损耗等相应减少，因此系统的体积以及成本会全面降低。比较实用的拓扑 结构有：非对称半桥式、米勒式[15]、电容转储式[16]、双电源式等。随着研究深入， 这种观点不再特别突出，主要原因是各种以减少主开关器件数目的拓扑结构在 减少主开关器件数目的同时，又引进了其他诸如电容、电感等无源储能元件以 及辅助开关器件，系统的体积与成本并未显著降低[8]。 一个更为贴近实用的研究方向是如何采用通用产品的功率模块（如变频器 三相逆变桥）来实现SRD功率电路拓扑结构，这样更容易降低产品的成本。关于 此类研究有很多，如电机采用星形接法(此方法以牺牲电机效率为代价)，通过 直接采用三相逆变桥控制减低成本，或采用IPM加一个半桥拓扑结构，绕组串联 6第一章 绪论[9]接法 等。 （3）制器控制策略研究 开关磁阻电机调速控制参数多，决定了它有灵活多样的控制方法。与传统 的电机调速系统相比，SRD系统实现优化控制的难度要高一些。但是随着各种控 制理论在传统电机调速系统中应用的研究日益深入，它们在SRD系统中的应用也 逐渐增多。比如采用传统的PI调节器，以斩波电流限为控制变量，实现了开关 磁阻电机的转速和转矩控制[17]， 比如采用模糊控制、 模糊控制与PI控制结合在一 起的混合式调节[18]、滑模控制、自适应控制、线性回馈控制[19]以及人工神经网络 控制等，可部分解决开关磁阻电机调速系统的非线性多变量强耦合问题，但离 实用技术还有一定距离。因为这些控制理论所结合的控制策略还不完善。实际 上，一个良好的控制系统，仅仅利用了相应的控制理论并不能完全解决问题， 往往某种控制理论能够发挥应有的作用是建立在合适的控制策略基础上的，两 者相得益彰[20]。可以预见，未来一段时间各种非线性控制理论、智能控制理论， 将与控制策略的研究同步进行，它们将以更加有效的途径应用于SRM驱动系统 中。 （4）转矩脉动及噪声的抑制 SRM具有体积小、重量轻、转矩／惯量比小等许多适合在伺服场合应用的特 点。但是，由于SRM的非线性特性和转矩脉动难以抑制的特点，使得以往在SRM 伺服驱动系统的研究进展较为缓慢。Hur J[21]等人通过改进电机结构设计降低转 矩脉动，J. Corda [22]等人采用非线性微分方程组给出了一种转矩脉动的动态计算 模型， 周素莹[23]等人对降低开关磁阻电机转矩脉动控制策略进行了非常全面的综 述。目前，伺服型开关磁阻电机调速系统已经有在机床上的应用[24]，其低速转矩 脉动已经实现了很好的抑制，但还无法实现定位功能。随着人们对SRM非线性本 质认识的加深，以及转矩脉动抑制研究的进一步发展，必将促进人们加强对SRM 在伺服驱动系统中应用的研究。 SRM的转矩脉动较大，由转矩脉动所导致的噪声及特定频率下的谐振问题也 较为突出,研究抑制SRM的振动和噪声也是一个重要的发展方向[32]。目前已有很 多文献论及这个领域，也取得了一定的效果, Stephen[25]等人对不同PWM驱动状态 下电机机壳震动和形变进行了详细的分析和论证,国内东风电动汽车通过改进 电机结构使开关磁阻电机的噪声达到了车用国家标准要求。 (5)无位置传感器方案研究 7第一章 绪论位置检测是开关磁阻电机同步运行的基础，也是开关磁阻电机区别于步进 电机的主要方面之一，开关磁阻电机的各种高级控制技术都是以高精度的位置 检测为首要条件，为了得到良好的性能，其控制器需要知道转子的位置信息。 目前普遍采用外装光电式或磁敏式等轴位置检测器，这不仅增加了系统的体积 和成本，而且降低了系统的可靠性。 为了消除轴位置检测器这一不利因素，无转子位置检测技术成为开关磁阻 电 机 研 究 的 一 大 热 点 。 其 中 一 些 在 由 WFRay 和 IH A L-Bahadly 发 表 的 “ Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors”中得到了论述，该论文发表于 1993 年 9 月 13-16 日在英 国 Brighton 举办的欧洲电力电子会议的会议记录，第 6 卷，第 7-13 页中。它 成为许多无传感器位置检测的专利进行引用的文献，也就是说很多专利实在这 些无传感器位置检测方法基础上继续深入的。 之后，各国学者在二十多年的研究工作中，提出了多种间接位置检测方案， 周素莹[26]等人对无转子位置检测技术手段进行了详细的总结， 大致可以分为以下 两大类:一是应用状态观测器估算转子位置[27] [28]，二是采用脉冲注入法估算转子 位置[29]。 总的来说，无位置传感器方案实用性并不高，在实际产品中很难见到，截 止目前没有哪一种无传感器位置检测方式可以满足整个运行区间的使用需要， 通常在低速、中速、高速需要对几种位置检测方式进行组合切换使用，其存在 的主要问题是对系统效率的影响、启动性能的影响和检测方法的通用性。 随着智能控制技术的不断成熟 ，数字信号处理技术的飞速发展，将智能控 制技术及高速高效低价格的DSP应用于SRM的位置检测和控制将是未来的发展趋 势[26]。 （6）产品的功率等级延伸 以往的研究均侧重于前面几项，多集中在实验室中进行。但是随着开关磁 阻电机调速系统的技术的不断成熟，从应用的的角度出发，与高性能相对应的， 就是其功率等级不断向上延伸，这是一个重要的发展方向，这需要更大的资金 投入。功率等级的提高一方面取决于电力电子器件的发展，另一方面也要解决 高压大功率带来的电机设计、电磁兼容、系统效率等难题。 从对 开关磁阻电机 专利 文 献 的 检索 分析，它的应用 几 乎涵盖 了所 有工业领 域。其中专利数量排名前三位的是：泵类、机床类、车轮动力类。开关磁阻电 8第一章 绪论机自身有着许多优点，尤其在于其启动和高速性能上，这使得它在这些设备上 具有很高的实用价值。因此也就成为了应用研究的热点。 以泵类应用为例，目前泵类是节能领域里的重点关注设备，尤其是大型的 泵类仅在石化行业里的比例就很大，约占到 15%，其工作的主要特点是要求驱动 电机高转速，大功率[33]。因此，如果解决了 SRD 大功率调速技术难题，就能使其 得到更广泛的应用[34]，从而推动它快速发展、成熟。 大功率 SRD 的论文一般只限于理论研究，P S T-J R French [35]提出 100~200KW 用于机车电机驱动的技术方案，Miles A R[36]提出 5MW/9000V 电机设计方案，国 内张民[37]、谭国俊[38]等人进行了大功率开关磁阻电机控制系统的研究，功率均在 132KW 以下。另据报道，国内对用于风力发电机的半直驱式兆瓦级开关磁阻电机 也在进行研究且列入国家 863、973 计划。1.2国内外 SRD 产品现状1.2.1 国外 SRD 产品现状国外批量生产、销售能力的产品生产商主要有以下几家，其技术基本都源 于 SRD Ltd.公司，主要的产品规格简介[3] [5] [8]如下： 1) 英国 SRD Ltd.产品 该公司在 1983 年首次推出著名的第一代 Oulton 产品基础上， 于 1988 年后逐 步推出第二代产品，其机座号为 112－250，功率范围为 4－110KW，该功率型 谱为同机座感应电动机的 1.15 倍，1999 年成立了 SRDML 公司专门经营产品， 试验能力达到 350KW，设计能力达到 2MW。其产品的主要特点为： 效率高：在 SR 电机额定转速为 1500r/min 的情况下，测得 SR 电机机座号为 112、132、160、180 的 SRD 系统效率分别为 0.82、0.85、0.87、0.91，SR 电机 机座号为 112、132、160、250 的 SRD 系统效率分别为 0.85、0.87、0.89、0.92。 输出转矩大：该系统在额定转速（1800rpm）以下过载倍数以上，启动和低速 转矩均在 2 倍以上。可四象限连续运行。 2) 意大利 SICMENNMOTORI 公司产品 该公司引进英国 SRD Ltd.技术结合自己多年生产电动机的技术优势，推出 名为 RCLU-SPEED 的 SRD， 电动机采用三相 12/8 极结构， 其机座号为 80－180， 功率范围为 1.2-84kw。该产品在保持英国上述第二代产品类似特点外还具有： 9第一章 绪论改进电动机结构：采用直流电动机无外壳式机座，并有 IP54 封闭式和 IP23 强迫通风式结构，其后者由于散热改善，使同样机座输出功率大大增加（如 100 机座，在额定 1500rpm 时，额定功率为 6.3kw） 。电动机最高速可达 6000rpm。 增加了数字操作面板，用于对数十个运行参数进行数字设定，如多段转速 值、转矩上限保护值、升速时间、制动有无、PI 参数等，使之适应不同工业运 行条件。 该公司的产品大量应用于织机，随织机整机进口到国内。 3) 英国 BJD100Ltd.产品及应用 同样源于 SRD Ltd.技术，开发了商品名为 Diamond 的中大容量产品，其主 要控制功能与 SICMEMOTORI 公司产品类似。 该公司首先推出的是用于采煤机牵引的 SRD 每台采煤机由 2 台各 40kw 电 机驱动。电源为煤矿常用 1140V。在此基础上又推出矿用 SRD 系列产品，其功 率范围为 35－300kw，已成功地用于皮带运输机，煤仓、水泵、蓄电池供电的车 辆等。为适应煤矿井下环境，电动机和控制器有水冷防爆式结构，也有风冷结 构。 此后，该公司又开发了工业通用产品系列，其电动机中心高为 225－450， 功率范围为 50－500kw。产品已应用于冶金、化工等行业的鼓风机、压缩机、破 碎机等。1.2.2 国内技术发展水平、现状及产品上个世纪 90 年代初国内陆续推出不同性能、不同用途的几十个规格的 SRD 产品。其代表产品有中纺机电研究所的 KC、H 系列（1.1-30kw） ，南京航空航天 大学和丹阳市电机传动设备厂的 SR71 系列（0.25-0.75kw） ，上海中达－斯米克 公司的 DS21 系列 （0.75kw） 。 这些产品总体性能约相当于英国 Oulton 产品水平。 通过不断改进完善，逐步达到工业应用要求，并先后应用于纺织、冶金、机械、 运输行业的数十种生产机械和交通工具。 1997 年中纺机电研究所和山东电机股份有限公司推出了 4－50kw L 系列 SRD 产品。并将其应用于机床、抽油机、电动车辆、脱水机等。 1999 年 10 月中纺机电研究所开始研制矿用一般型和矿用隔爆型 SRD 系列 产品，在技术水平上相当于国外的 RELU-SPEED 和 Diamiond 产品，其电压等 级为 100－3300VAC，实用电压为 380－1140VAC，功率范围为 4－132kw，SRM 10第一章 绪论电机转速 50－2600rpm 任意可调，SRM 采用四相 8/6 极和三相 12/8 极型式，电 机和功率元件冷却采用风冷和水冷两种方式。 截至 2006 年底，中纺锐力机电有限公司（中纺机电研究所股份制后成立的 公司） 已 成 功 将 矿用 SRD 系统应用于 地 面 矸 石山 绞 车 （ 110kw/660VAC 和 132kw/380VAC 两 种 ） 、 地 面 主 斜井绞 车 （ 75kw/380VAC ） 、 地 面 副斜井猴 车 （110kw/660VAC） 、 井下工作面电牵引采煤机 （35kw/1140VAC 和 37kw/1140VAC 两种） 及地面和井下胶带输送机 （280KW/660V、 132kw/660VAC 和 110kw/380VAC 三种）等设备。 这些应用成果代表了国内目前 SRD 产品的最高技术水平： 电压为 380VAC 的 SRD 系统最大功率 132kw； 电压为 660VAC 的 SRD 系统最大功率 280kw； 电压为 1140VAC 的 SRD 系统最大功率为 55kw。 但这些成果与国外 SRD 系统的技术水平还存在差距， 尤其在大功率 SRD 系统 的开发研制与推广应用上还没有起步存在空白。1.3本课题的意义1.3.1 常用调速系统性能比较现阶段，我国工矿企业使用的大功率电机启动方式主要有直接启动、调压 调频软启动、变频调速以及 CST 四种方式[39]。 1) 直接启动时启动电流大， 常常导致开关过流跳闸或必须选用大容量开关及 变压器，而且直接启动对机械设备的冲击力大，缩短设备的使用寿命，严 重时甚至出现启动断带或断链事故。 2) 调压调频软启动装置仅仅解决了启动时大电流和对机械装置的冲击问题， 由于利用降压降频的方法进行启动， 导致启动转矩减小， 仍然存在重载情 况下无法启动的问题，另外该调压调频装置仅解决了启动时对速度的调 整，正常运行情况下无法实现调速。 3) 变频调速装置实现了真正意义上的调速， 但也存在启动转矩小、 动态响应 速度慢，运行时功率开关工作频率较高、桥臂存在直通危险等问题，不适 合在低速阶段长时间运转或频繁启、 制动运行。 目前矿用大功率的变频调 11第一章 绪论速装置依然依靠进口，费用昂贵、维修困难。 4) 机械调速的 CST，由于利用摩擦方式来传递能量，发热量大，系统效率 低，同时对冷却及润滑系统要求高，需要定期更换润滑油维护费用高，对 摩擦间隙的调整也比较困难，调整不当，将会影响整个系统的性能。表 1-1 SRD 与交流变频器系统控制方式比较系统 类型 比较项目 控制方式 工作波形SRD 单脉冲控制变频调速 SPWM 控制方式特点IGBT 工作频率低 ， 1000RPM 时为 133HzIGBT 工作频率 高 ， 1000RPM 时为 5KHz1.3.2 本课题解决的问题随着我国矿井产量的提高，电机功率不断加大，给设备的正常启动和运转 带来了许多问题，突出表现在以下几个方面： 1) 启动电流大，导致开关跳闸或损坏。 2) 启动时冲击力大，经常导致输送机断带或断链，减速机、机头机尾滚 损坏。 3) 利用普通电机驱动时，为了实现设备在满载时能正常启动，常常选择 比正常负荷大一功率等级的电机，由此导致电机经常在效率低的状态 下运行，能耗增加。 4) 有时根据负载或检修需要希望设备能提高或降低运行速度，而普通电 机无法实现调速。 5) 工业现场多电机同步运行时负载分配不均，常导致电机烧毁。 由于 SRD 系统具有优良的启动及调速性能， 开发研究大功率的 SRD 系统完 全能使大功率的电机驱动系统能达到启动电流小、启动转矩大、无冲击、响应 快、能调速、效率高的性能，非常适合解决上述工业调速难题。 12第一章 绪论1.4本文主要研究内容课题的研制目标为可四象限运行的 400KW/1140V 开关磁阻电机调速系统，主要针对中压大功率 SRD 研发的技术难点进行研究， 使 SRD 产品向大功率方向 延伸并走向实用： （1）开关磁阻电动机具有非线性特征，需要合理的进行开关磁阻电机的电磁 转矩分析，对电机进行电磁参数设计，实现恒转矩、恒功率特性满足使用要求， 同时获得范围较宽高效率区。 （2）高电压、大电流是中压大功率 SRD 的主要特征，开关器件造成的电磁干 扰情况恶劣，系统要能够长时间可靠运行，功率\驱动\电源\检测电路的合理设计 项目研究开发的重点。 （3）开关磁阻电机是一个典型的非线性系统，控制困难，利用 DSP 的高速处 理能力，结合实用的控制策略，提高系统的转矩精度和动态性能，是本课题的 研究重点。 （4）为了实现 SRD 煤矿井下运行，需要专业的隔爆外壳设计和接口设计，才 能满足产品煤矿井下使用的特殊要求。 综上，本课题研究的 400KW/1140V 中压大功率 SRD 产品属于国内相同电 压等级的大功率产品，本课题的研究使我国开关磁阻电机调速系统的大功率产 品走向真正的实用。 本文组织结构如下： 第 1 章 绪论。 本章简要介绍本论文的技术背景、 当前相关领域的研究现状、 本文的主要研究内容。 第 2 章 开关磁阻电动机基本原理与设计。本章主要介绍开关磁阻电动机的 工作原理、数学模型，简述大功率开关磁阻电动机电磁、结构设计。 第 3 章 中压大功率 SRD 系统功率电路设计。 本章主要介绍中压大功率开关 磁阻电动机调速系统的硬件设计，突出为了适应中压大功率应用的需要，对功 率电路、驱动电路、电源、检测电路等所提出的特别设计要求。 第 4 章 以 DSP 为核心的控制电路设计。本章主要介绍中压大功率 SRD 的 控制电路硬件体系结构、控制策略、软件设计。13第一章 绪论第 5 章中压大功率 SRD 的系统型式试验及分析。本章主要以中压大功率 SRD 矿用为例，介绍所需要特殊外壳、接口、同步设计。此外，重点介绍了中 压大功率 SRD 的性能测试，对系统应用情况进行了详细的分析。 第 6 章 结论与展望未来。结合本文研制的产品，提出 1.6MW 系统解决方 案。14第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计第二章开关磁阻电动机基本原理 开关磁阻电动机基本原理与设计 基本原理与设计开关磁阻电动机的基本结构非常简单，这是它的优点；但是由于磁路的非 线性的特点，控制起来又非常困难。本章将对开关磁阻电动机的数学模型进行 介绍，并提出本课题涉及的开关磁阻电动机的相关参数设计。2.1 开关磁阻电动机的数学模型开关磁阻电动机的工作原理和结构比较简单，但其双凸极的结构特点，磁 路和电路的非线性、开关性，使得电机的各个物理量随转子位置作周期性变化， 定子绕组电流和磁通波形极不规则，传统电机的分析方法难以简单地应用于SR 电机的计算。但电机内部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电流定律、 能量守恒定律等基本的电磁关系上。2.1.1 磁储能与磁共能的定义电动机、发电机等电磁器械都是典型的机电能量转换装置，他们都是以气 隙中储存的磁场能量作为媒介的， 而电能与磁场能量的转换[40]可以通过最简单的 电抗器来研究。 图 2-2 所示为一个铁芯长度为 li 、气隙长为 lg 、截面积为 S 的铁芯，在其上绕 有 N 匝的线圈。当加上电压 u 时，电源输入功率可以表示为： Wi = ∫ uidt（2-1）如果忽略线圈电阻， 这个能量必然以磁场能量 Wf = Wi 形式储存在电抗器中。 由于忽略了线圈电阻，有线圈反电势 e 和 u 相等，由法拉第定律得： dΦ dΨ u=e=N = dt dt 将上式带入式（2-1）有：Wf = Wi = ∫ dΨ idt = ∫ idΨ dt（2-2）（2-3）15第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计图 2-2电抗器原理图图 2-3 磁储能与磁共能式（2-3）的积分结果在图（2-3）中可以用磁化曲线（ i ~ Ψ ）和纵轴（ Ψ ） 所围成的面积来表示， Wf 即为电抗器的磁储能。 研究中，一般将磁化曲线（ i ~ Ψ ）和横轴（ i ）所围成的面积 Wf ' = ∫ idΨ 定 义为磁共能，由图可知它和磁能 Wf 之间的关系是：i Ψ = Wf + Wf '（2-4）磁共能是没有物理意义的，但设了这个和磁能有关的量后，对于分析磁能 与机械能之间的转换关系，在数学推导上会带来很大的方便。16第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计2.1.2 磁阻电机中磁场能转换为机械力的原理图 2-4磁阻电动机简化结构图 2-5 能量转化曲线当研究某一相绕组通电所产生的转矩时，磁阻电动机的电磁结构可简化成 图 2-4 所示基本结构。它由一个励磁线圈、固定铁心和一个可改变气隙磁导的转 子组成。 现在将转子轴向连接一个发条装置 K，初始转角位置固定为θ1。首先，用 外力控制住转子不动，然后加上电源电压 u，使电流 i=ia，这时，磁路中储存的 磁场能量可用图 2-5 的面积 ob1c1 表示；在这种状态下，将外加控制力慢慢解除 （以保持 i 不变） ，使转子从θ=θ1 处开始转动，同时发条开始发生卷曲，最后 在发条力和电磁力相平衡的位置θ=θ2 处静止下来，这时磁路中的能量用面积ob2c2 表示。磁储能的变化量为 17第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计?Wf =面积 ob2c2 ― 面积 ob1c1（2-5）另一方面，到达磁化状态 b2 点时，由电源供给的能量则是面积 ob1b2c2 。因 此，由电源供给的能量和磁路储存的能量之差---面积 ob1b2（阴影部分）-必然被 转换成发条装置 K 中的机械能了。 因此，若作用在发条上的转矩为 T，而角位移为 ?θ=θ2-θ1，则发条储存 的机械能为?Wm =T?θ=面积 ob1b2（2-6）角位移从θ1 变化到θ2 期间，电源供给的能量 ?We = i?Ψ =面积 c1b1b2c2（2-7）由 能 量 守 恒定 律 ，电源 供给 的能 量 应 该 等于机械能和磁场能 量 的 增量之 和。即 ?We = ?Wm + ?Wf ，用微分表示如下式dWe = dWm + dWf（2-8）a． 当取 i 和 θ 为独立变量时 此时 Ψ = Ψ (i, θ ) ， Wm = Wm(i, θ )式（2-8）各项为?Ψ ?Ψ dθ + di ) ?i ?θdWe = vidt = idΨ = i ( dWf =（2-9） （2-10） （2-11）?Wf ?Wf dθ + di ?θ ?idWm = Tdθ将上三式代入 2-8 后，整理，得 ?Ψ ?Wf ?Ψ ?Wf Tdθ = (i ? )dθ + (i ? )di ?θ ?θ ?i ?i 由式 2-4 可知 Wf = iΨ ? Wf ' = iΨ ? ∫ Ψdi 对上式对 i 取偏微分?Wf ?Ψ ?Ψ = Ψ +i ?Ψ =i ?i ?i ?i（2-12）所以式 2-12 的右边第二项为零，故求得转矩公式为 ? ?Wf ' T= (iΨ ? Wf ) = ?θ ?θ（2-13）此条件下获得的转矩公式可以概括理解为：电流保持不变的情况下，输出18第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计转矩等于磁共能对转角的变化率。 b ．当取 Ψ 和 θ 为独立变量时此时 i = i (Ψ ,θ ) ， Wm = Wm(Ψ ,θ )dWe = idΨ dWf =式（2-8）各项为 （2-14） （2-15） （2-16）?Wf ?Wf dθ + dΨ ?θ ?ΨdWm = Tdθ故Tdθ = (i ??Wf ?Wf ) dΨ ? dθ ?Ψ ?θ ?Wf =i ?Ψ（2-17）但是根据 Wf = ∫ idΨ ，两侧对 Ψ 取偏微分，有?Wf dθ ?θ所以式 2-17 右边第一项为零，因此求得转矩公式为Tdθ = ?（2-18）此条件下获得的转矩公式可以概括理解为：磁链保持不变的情况下，输出 转矩等于磁储能对转角的变化率。负号表示磁储能的减量少转化为了机械能输 出量。2.1.3 基本转矩计算上一节推导出了转矩公式，但它是基于两个基本条件：电流恒定或磁链恒 定，通过由磁储能、磁共能对转角变化来表达的计算公式，但在实际电机运行 中，磁链和电流随转角同时在变化，再考虑电机铁芯材料由电流导致的的饱和 因素，在磁化曲线（ i ~ Ψ ）图上表现为磁链是关于电流和转角的非线性函数， 如图 2-6 所示。实际应用中，很难将这三个参数分列成独立变量进行转矩分析， 因此，开关磁阻电机无法用传统电机的基本理论和方法来分析计算。19第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计图 2-6 磁链、电流、转角关系曲线开关磁阻电动机通常有三种分析方法：线性模式法、准线性分析法和非线 性模式法。其中线性模式法是在一系列简化条件下导出电机的转矩和电流解析 计算式。 理想电感计算 对图 2-4 基本结构，在忽略铁心部分磁饱和的情况下，可将铁心材料的磁导 率视为无限大，则磁路的磁导仅由气隙磁导 Λg 构成，气隙磁通 Φg 为 Φg = FΛgF = iN(2-19) (2-20)式中，F 为绕组励磁磁势，N 为绕组匝数。 在不考虑漏磁通的情况下，磁通全部由气隙进出转子。由于铁心磁导率为 无限大，铁心表面为等磁位面，故气隙磁通与定、转子极弧表面相垂直。显然， 在这种情况下，气隙磁导仅由定转子相互重合部分的极弧角度大小所决定，气 隙磁导仅是转子转角θ的函数。Λg = ?gS (θ ) lg(2-21)式中 ?g 为气隙磁导率，lg 为两部分气隙总长度， S 为转子与定子铁芯相互重合部 分的面积，由于定、转子铁芯的截面积是固定的，因此，S 仅是关于转角θ的函 数，且理想状态下有 0≤S(θ)≤SF。20第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计图 2-4 开关磁阻电机结构中，设 t 为定子极距，αs 和αR 分别为定、转子极 弧角度，当转子由垂直方向开始转动达到水平状态，随着重叠角的变化，气隙 磁导从零（或一个极小值）开始直到达到最大值，形成以 t 为周期的折线式磁导 曲线如图 2-7 所示。图 2-7理想磁导和电感曲线将式(2-20)代入式(2-19)，并考虑到Ψ = Li = NΦ(2-22) (2-23)则得L = N 2 Λg即绕组电感 L 与气隙磁导 Λg 成正比，因此图 2 所示曲线同时表示了绕组电感随 转子转角θ的变化曲线。由图可知，理想电感可如下表示L min L= K (θ ? θ 0) + L min L max L max ? K (θ ? θ 2)0≤θ&θ0θ0≤θ&θ1 θ1≤θ&θ2 θ2≤θ&θ3(2-24)理想电感条件下的基本转矩计算 利用上面导出的一般转矩计算式、磁储能计算式和理想电感计算式，便可 进一步导出基本转矩计算式。21第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计T=?Wf ' ? ∫ Ψdi ?L 1 ?L idi = i 2 = = ∫ ?θ ?θ ?θ 2 ?θ（2-25）由以上分析可获得以下结论：(1)电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生的，当磁导(对转角θ)的变化率 L max 大时，转矩也大。若磁导的变化率为零，则转矩也为零。(2)电磁转矩的大小同绕组电流 i 的平方成正比， 因此， 可以通过增大电流有效地增大转矩。(3)在电感曲线的上升段，通入绕组电流产生正向电磁转矩，在电感曲线的下降段，通入绕组电流产生反向电磁转矩。(4)在电感曲线的上升段和下降段均有绕组电流时，将产生相应的正、反向转矩。电动机的平均转矩 T 为正、反向转矩的平均值：Tav = 1 t Tdθ t ∫0 (2-26)当正向转矩为主时，平均转矩为正，反之为负。对于 m 相电动机，各相绕组通 电均产生转矩。在不考虑磁路饱和和相间互感时，电动机的平均转矩为各相绕 组单独通电所产生的平均转矩之和。 虽然上述分析是在一系列假设条件下得出，但它对了解电动机的基本工作 原理，对定性分析电动机的工作状态及转矩产生是十分有益的。 准线性模型分析 为了更好的表示磁链对转角和电流的变化，可以用折线对磁链的饱和情况 进行近似表示，从 2-8 的准线性电流磁链分析示意图中我们可以看出，理想电感 下的转矩计算只是针对面积 OADE 进行的分析， 此时铁芯材料处于非饱和状态， 电流-磁链曲线近似为一条斜率（即电感）固定的直线 OD 段。22第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计图 2-8准线性磁链-电流分析但当电流增大到一定值情况下（i&i0） ，铁芯材料开始出现饱和，磁链将不再 增加，但此时但由于电流的增加，会导致最大磁共能面积 ABCD 继续增加，因 此，由式 2-13 可知： （5）随着电流的增大，铁芯磁饱和程度增加，转矩不再跟电流 i 的平方成正 比；但是，随着电流继续增加，转矩仍然会增大。 继续对图 2-7 进行分析，我们还可以看到，随着电机磁饱和程度的增加，机 电转换效率有提高的趋势，电能转化机械能比率为 Ke,则有：Ke = Wm Wm + Wf（2-27）显然， 电机工作在面积 OADE 区间与面积 OABCDE 区间的电能利用率是不 同的，后者要比前者大。因此： （6）电机设计时，应合理考虑电机的磁饱和程度，合理的选择工作点，才 可能最有效的提高电机的利用率。 为了更好的拟合磁链曲线，这里提出另外一种磁链的表示方法 非线性模型分析简介 线性与准线性分析有助于我们理解和把握电机的基本原理，但无法准确描 述磁链与电流和转角之间的关系，要精确定量计算、设计开关磁阻电动机，应 采用非线性方式，并应用计算机数值计算来研究。 用有限元法对电机二维、三维静磁场进行数值计算，可以得到不同绕组电23第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计流及不同转子位置的解，从而得到电机的磁场分布，求得电机的磁链变化曲线。 参考文献均给出了求解和迭代方法。 综上，通过以磁链、电流、转角为变量的开关磁阻电动机的转矩分析，可 见开关磁阻电动机是一个严重的非线性系统，但用基本的能量守恒概念和电磁 理论以及非线性计算手段仍然可以对其进行分析，开关磁阻电机的绕组相电压 方程以及机械运动方程总结如下：U = Ri + dΨ dt（2-28）电流 i 和转子位置角 θ 的函数，可用电感和电流的乘积表示 Ψ (i, θ ) = L(i, θ )iU = Ri + ( L + i?L di ?L dθ ) +i ?i dt ?θ dt式中 U、 i 、R、 Ψ 分别为相电压、相电流、相电阻和磁链；磁链 Ψ 是绕组 （2-29） （2-30）电源电压与电路中三部分电压降相平衡，等式右端第一项为回路中的电阻压 降，第二项为绕组变压器电动势，是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势； 第三相称为运动电动势，由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感应的电动势。T= ?Wf ' ?θi = const=? ∫ Ψ (i, θ )di ?θ（2-31）设开关磁阻电机共有 m 相，用 Tj 、 ij （j=1、2….m）分别表示各相的转矩和 电流，忽略互感影响，则总的电磁转矩为各相转矩之和：Ttotal = ∑ Tj (ij, θ )m j =1（2-32）由机械运动方程Ttotal ? Tf = J dω + kfω dt（2-33）求得转速。式中 Ttotal ， Tf ， J ， Kf 分别为电磁转矩、负载转矩、转动惯量 和摩擦系数。24第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计2.2大功率开关磁阻电动机设计简介开关磁阻电机设计计算过程比较繁琐、困难，与传统电机设计相比，SR 电机设计存在以下几方面的特点[8]：首先，即使结构尺寸、电压、绕组匝数确定以 后，其电磁转矩还与控制参数有关；第二，电磁转矩计算的主要依据-不同转子 位置下的磁化曲线簇，计算工作量大，困难；第三，绕组匝数对电流峰值和电 磁转矩影响大；第四，电机结构决定恒转矩区、恒功率区的调速范围，且效率 计算困难。因此，SR 电机应采用计算机辅助设计方法，才能更有效的完成调速 范围计算、效率计算和调整电机参数。2.2.1 结构参数设计目前最常用的 SR 电机为三相 6/4 极，四相 8/6 极和五相 10/8 极。本项目参 考了意大利西格玛公司的技术方案，采用 12/8 极结构，相数虽然采用了可双向 自起动的最小值，但由于齿数较 6/4 极增加了一倍，使之步距角和每转步数与四 相 8/6 极电机相同，因此转矩脉动不大，起动平稳，经济性好，另一个优点是每 相由定子上相距 90°的 4 个极上的线圈构成，因此产生的转矩在圆周上分布均 匀，由磁路和电路不平衡造成的单边磁拉力小，电机的噪音小。开关磁阻电动 机的结构参数对转矩等特性有以下影响： （1）转子外径增大，转矩增大，转矩波动增大，绕组空间减小； （2）铁芯长度增大，转矩增大，转矩波动增大，绕组空间增大； （3）气隙选择，气隙不是越小越好，选取合适的气隙，转矩波动较小； （4）电机外径增大，电流峰值下降，转矩波动减小； （5）绕组匝数增加，电流峰值下降，转矩波动增大； （6）机座号可参考异步机，相同体积下可获得稍大于异步机的输出转矩。 电机的基本设计步骤为： 首先， 根据以上规则确定电机的前期设计结构参数， 并进行性能计算，然后优化设计，修改电机结构参数，再进行性能仿真，最后 输出满意结果。2.2.2 电磁参数设计开关磁阻电机电磁转矩计算的重要参数就是开关磁阻电机模型中所介绍的 磁链-电流曲线，由于开关磁阻电机的饱和特性，其电流磁化曲线是非线性的， 所以电机的设计需要获知不同转子位置下的磁链-电流磁化曲线簇。 25第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计有限元方法求取电机磁链-电流曲线最基本可靠的方法，但该方法需要准备 的数据量非常大，耗时还高，优化设计繁琐，并且一旦修改电机尺寸，所有的 计算必须全部重来，因此有限元方法一般只用于电机设计后期性能的校核。工 程上一般采用非线性计算方法建立电机模型。 SRD Ld.公司采用的一种快速非线性法进行电机设计，该方法根据转子与定 子对齐、转子与定子不对齐这两个位置的磁化曲线，拟合出其它位置下的磁化 曲线，但是由于磁化曲线的条数较少，该方法精度较差。 本项目所采用的电机设计软件优化了 SRD Ld.公司的电机设计方法， 采用一 种快速非线性仿真方法完成电机模型的建立，该方法结合了有限元推导出的磁 通分布，通过计算四个转子位置下的磁化曲线，从而快速的拟合出其它转子位 置下的磁化曲线。这四个位置分别是：转子极中心线与励磁极中心线重合位置； 转子极间中心线与励磁极中心线重合位置；转子极前沿与励磁极前沿重合位置； 转子极前沿与励磁极中心线重合位置。 本项目采用专用软件对大功率开关磁阻电机进行了电磁参数设计，并进行 了电磁性能仿真，结果证明设计参数合理，能够满足电动机性能需要，仿真结 果如表 2-1 所示。表 2-1 400KW/1140V SRM 仿真结果----快速非线性仿真结果----- -电机结构磁链-电流曲线绕组电流波形―――――技术数据――――― 额定功率(瓦): 额定电压(伏): 0 1500―――性能数据―――― 电 磁 功 率 (瓦)： 413661 电磁转矩(牛*米)： 2633.45 相电流有效值(安)： 219.998 相电流最大值(安)： 439.533定子齿磁密(特)： 定子轭磁密(特)： 转子齿磁密(特)： 转子轭磁密(特)：1.212 1.137额定转速(转/分): 绝缘等级: F电负荷(安/毫米)： 32.57126第二章 开关磁阻电动机基本原理与设计――――结构数据―――――― 定子外径 Ds(米): 定子内径 Dsi(米): 定子极数 Ns： 12 转子极数 Nr： 8 定子极弧(度)： 15 转子极弧(度)： 16.95 每极匝数： 气隙 g(米): 20 0. 0.39 非对齐位置电感(亨)： 0.0042524 磁 负 荷(特)： 0.151651相电感最大值(亨)： 0.0704998 相电感最小值(亨)： 0.0042524 铜 铁 耗(瓦): 11398铁重(公斤)： 铜重(公斤)：800.492 111.83转子转动惯量(公斤*平方米)： 4.22054 ---------------------------------母线电流平均值(A): 385.356 主开关电流平均值(A): 续流二极管电流平均值(A): 主开关电流有效值(A): 续流二极管电流有效值(A): 主开关电流峰值(A): 439.511 续流二极管电流峰值(A): 95.7 143.814 15. 25.3252耗(瓦)： 5207.01机械损耗(瓦)： 4963.94 杂散损耗(瓦)： 2068.31 输入功率(瓦)： 425060 输出功率(瓦)： 401422 效 率： 0..1411铁心长度(米)： 0.59 定子轭厚(米)： 0.074 转子轭厚(米)： 0.077 绕组电阻(欧)： 0.0785 转子齿型： 平行齿导线截面积(平方毫米)： 实际槽满率)： 45% 半 匝 长 (米)：0.724313每步反馈回电源能量(J): 能量转换率(%):电流密度(安/平方毫米)： 6.087251.0583-----------end---------------------2.2.3 电动机工艺设计（1）由于电机绕组开关频率高，铁芯的发热量大，所以把电机的定转子铁芯采 用优质冷轧硅钢片，利用合理的迭装工艺，可以有效降低铁损。 （2）增加轴向长度，电机轴端内装风扇，使电机旋转过程中内部温度更加均匀， 从而达到解决定、转子局部过热的目的。 （3）采用成型绕组工艺，使内风扇对定子铁芯和绕组的散热效果达到最佳。 （4）采用高压变频线进行电机绕组的制作，进一步提高能量回馈工作状态下电 机绝缘的可靠性。 （5）每相电机绕组的四个部分采用串联方式进行连接，降低每极绕组绕制端部 出线处的耐压，可以大大降低匝间短路的可能性。2.3 小结本章主要介绍了开关磁阻电动机的数学模型，并根据开关磁阻电动机的电 磁理论，阐述了大功率开关磁阻电动机的基本设计方法，给出了仿真结果。出 于实用目的，还简述了电动机的工艺设计。电机是整个系统的控制目标，针对 SR电机的特点，下一章提出控制器的功率电路设计。 27第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计第三章中压大功率 SRD 功率电路设计 功率电路设计大功率 SRD 的发展，其实是功率电路容量的扩展，主要依赖于大功率电力 电子器件的发展以及功率元件串并联技术的提高。随着功率等级的提高，高压、 大电流带来的电磁兼容问题，成为了系统可靠性的第一杀手，因此如何减小功 率电路与控制电路之间的耦合，保证控制电路安全可靠运行，提高整个 SRD 系 统的 EMI 性能，是中压大功率 SRD 发展需要解决的首要问题。3.1 四象限开关磁阻控制器系统结构本课题设计要求中压大功率 SRD 具备四象限运行能力，因此，控制器需采 用四象限结构，其基本结构如图 3-1 所示。整流单元和控制单元合称为四象限开 关磁阻控制器。图 3-1 四象限开关磁阻控制器结构框图开关磁阻电机电动运行，控制单元电路执行电动工作逻辑，从母线上吸取 电能转化为电机输出的机械能， 此时整流单元的控制和推动电路不工作， 与 IGBT 并联的二极管进行整流工作，维持母线电压不变。 开关磁阻电机制动运行，控制单元电路执行制动工作逻辑，电机的机械能 转化为电能，导致母线电压升高，整流单元检测到母线电压升高，控制电路和 推动电路开始工作， IGBT 按照电网电压相序顺序导通， 电流从母线流向电源线， 电流经过回馈电抗器的滤波变得平滑，从而实现直流母线上的能量回馈到电网。28第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计3.2 功率变换器拓扑型式整流单元的功率变换电路采用通用的三相逆变桥实现[41][42]， 其技术在上世纪 90 年代已经基本成熟，可检索的相关文献很多，这里不再赘述。 控制单元常用的功率变换器主电路有许多种， 应用最普遍的如图 3-1 所示的 三种。图 3-2 SRD 功率变换器拓扑结构图 3-2a 所示的主电路为单电源供电方式，每相有两个主开关，斩波时可以 同时关断两个主开关，进行反压续流；也可以只关断一个，实现零压续流。工 作过程中， 功率开关器件承受的额定电压为电源电压 U。 此种功率变换器拓扑结 构可用于任何相数、任何功率等级情况下。 图 3-2b 所示的主电路特点是电机有一个初级绕组与次级绕组耦合在一起， 工作时，电源通过功率开关向初级绕组供电，开关关断后，绕组磁储能通过次 级绕组经过续流二极管向电源充电续流，此时功率开关承受的反向关断电压为 2U。这种拓扑结构的明显特点是功率开关器件少，但主功率开关要求额定耐压 高，且电机与功率变换器的连线较多，电机绕组利用率低。 图 3-2c 所示的主电路为裂相式电路，通过人造电源中点实现对称电源供电。 每相只有一个主开关，上桥臂从上电源吸收能量，并将磁储能回馈到下电源， 下桥臂从下电源吸取能量，将磁储能回馈到上电源。可以看出此种功率变换器 拓扑结构的功率开关承受的电压为 U/2，但在同等功率输出条件下，功率开关电 流是图 3-2a 所示结构的两倍。 以上三种电路比较，相同输出功率情况下，各主电路功率开关总伏安容量 大抵相等，成本相差不大。但图 3-2a 所示的主电路控制起来灵活，流经主开关 的电流小，适配电机的范围大，在高电压、大功率场合下有明显优势，因此， 对 KW 电压/功率等级 SRD 产品，此种功率电路拓扑结构最合适。本 29第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计项目控制目标为三相 12/8 极开关磁阻电机，因此本项目所采用的三相功率变换 器拓扑结构如图 3-3 所示。图 3-3 三相 12/8 极大功率开关磁电机阻调速系统功率变换器图 3-3 中，R 与 KM 为上电电阻与上电接触器，V 为整流单元，S1~S6 为功 率开关，D1~D6 为续流二极管。对于 1140V 电压等级电气调速系统用功率开关 器件，目前 3300V 耐压等级 IGBT 可以满足使用要求。 中压大功率 SRD 系统中，IGBT 工作的可靠性取决于工作方式、驱动保护 电路等多个因素，一般情况下，工作方式主要侧重于获得高性能，为了获得高 动态性能，工作方式要求开关频率高，电流瞬时控制能力强，驱动电路的性能 决定了 IGBT 能否安全可靠的工作，满足控制需要。3.3 驱动电路设计3.3.1 IGBT 驱动电路分析不同功率等级的 IGBT，对驱动的要求不尽相同，表 3-1 给出了 SRD 功率电 路目前常用的几种驱动方式。表 3-1 驱动方式的比较驱动方式 直接驱动 光耦隔离 变压器隔离 光纤隔离 功率范围 小 小，中 中，大 大 隔离电压 无 V &5000V 典型应用 TPS2812 EXB841 2SD315 ISD418F2（1）直接驱动.仅适用于小功率中，通常推动电源与控制电源没有隔离， 如驱动 MOSFET。 （2）光耦隔离方式驱动电路.具有较好的性价比,以 EXB841 为例，由于其 价格便宜、体积小、轻薄且对 IGBT 具有短路保护和软关断功能，被大量应用于 中小功率 SRD 系统的驱动控制中。但由于其内部隔离耐压有限，考虑到可靠性， 一般只应用于 380V 以下的调速系统中。 30第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计（3）变压器隔离驱动方式.能实现控制电源与功率电源电气上的完全隔离， 在 380V 以上的系统中应用非常适合，可以使隔离电压达到 4000V。但当驱动器 功率进一步提高时，IGBT 的工作电流增大，大的 di/dt 与功率电路母线杂散电 感产生的过电压，以及 IGBT 开通、关断产生的高频 dv/dt，通过结电容，耦合 到门级，影响 IGBT 工作；并且因为驱动信号采用的是变压器隔离，绕组间具有 磁路耦合，可能存在分布电容，会导致高压侧的高频干扰信号耦合到控制回路， 影响控制电路正常工作；同时从驱动板至 IGBT 的引线较长，功率电路产生的空 间电磁干扰也可能威胁到驱动电路的正常工作。 （4）光纤隔离驱动.是光耦隔离技术的一种延伸,光纤的采用，使控制电路 远离功率电路，且不存在直接电气关系，在 4000V 以上的系统中，光纤驱动板 可以与 IGBT 就近安装结合成为一个整体，减少引线长度，从而大大提高了整个 系统的可靠性。 由于大功率电力变换装置需要隔离电压，考虑系统整体的抗干扰能力，在 大功率 SRD 驱动电路中，光纤隔离驱动技术为最佳使用选择。3.3.2 光纤隔离驱动技术应用基于光纤驱动技术的四象限开关磁阻控制器功率电路如图 3-4 所示，控制 电路产生 IGBT 的驱动信号，此信号由光纤上的收发器进行“电―光―电”转换 后，经光纤传输到光纤驱动电路板上，进行放大处理后，驱动 IGBT 工作；同时， 驱动电路板上 IGBT 的驱动信号状态，再通过光纤，实时反馈给控制电路。由于 直接用螺钉将驱动电路板安装在 IGBT 上，使 IGBT 的门极驱动信号在最短的线 路上进行传输，大大降低了电磁干扰的几率，使控制电路更能准确的判断、控 制 IGBT 的工作状态，从而保证了系统整体稳定工作。图 3-4 基于光纤驱动技术的四象限开关磁阻控制器功率电路（1）光纤收发器的选用 31第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计大部分光纤收发器工作原理如图 3-5a、图 3-5b 所示。IGBT 的开关频率一 般在 20K 左右，大功率 SRD 控制系统中，斩波频率一般控制在 10K 以下，因此， 控制板与大功率模块驱动板之间传输速率在 1MB~5MB 的光纤收发器在驱动控制 电路中使用较多。图 3-5a 发送电路图 3-5b接收电路（2）驱动信号发送电路 对驱动信号的发送，有 2 种可供选择的发送方式，如图 3-6 所示，其主要性 能区别如下： 图 3-6a 为串联结构，常用于 1MB 以下系统中，延时时间较长，其优点是驱 动电源的功耗较低。 图 3-6b 为并联结构，适用于 5MB 或频率响应要求更高的场合，其优点是反 应速度快，但驱动电源始终是导通的，功耗较高。 以上两种发送方式均满足中压大功率 SRD 的斩波频率技术要求，但考虑节 省开关电源功耗和有效利用达林顿驱动接口，在中压大功率 SRD 系统中，方式 1 是最理想的发送电路应用方案。图 3-6驱动信号发送电路（3）光纤的选用 针对上述光纤收发器及发送方式，可选用直径 1mm，带塑胶外套的光纤系列 产品。其特点是，具有较好的抗拉、抗弯折性能。根据使用场合不同，一般有 两个等级供用户选择，低成本型（Low Cost Standard POF），典型衰减倍数为 32第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计0.22dB/m ；低损耗型（Performance Extra Low Loss POF）,其典型衰减倍数为 0.19dB/m。在驱动控制中，一般控制距离在 5m 以内，所以由传输距离导致信号 衰减的发生频率不高，选用低成本型即可。 根据系统的应用环境不同，应选用不同形式的光纤/连接器进行组合，以满 足特殊要求除了拉力和距离以外，光纤使用中还需注意弯曲半径。一般短时工 作情况下，弯曲半径不小于 25mm ；长时间（超过 30 分钟）工作，为保证光纤 的传输性能，弯曲半径应控制在 35mm 以上。3.3.3 驱动性能测试系统空载情况下，对应用了光纤隔离驱动技术的 SRD 功率电路，进行工作 状态测试。 IGBT“状态反馈信号”的波形信号为 1 踪； “PWM 信号”的波形标号为 2 踪； IGBT 的“门极驱动信号”的波形标号为 3 踪。 (1)正常驱动。 光纤驱动电路即传送驱动信号,又返回 IGBT 状态信号， 正常驱动时， 在 IGBT 的门极驱动信号的上升沿和下降沿， 返回一个 900ns 的脉冲信号， 即 IGBT 的 “状 态反馈信号”，此信号表明控制器开通、关断操作成功；控制电路接收到这个 “状态反馈信号”后，开始组织进行下一步操作。IGBT 的“门极推动信号”波 形和“状态反馈信号”波形，如图 3-7 所示。图 3-7正常驱动波形(2)短路保护时，驱动信号的处理方式。 发生短路时，驱动信号对 IGBT 门极的关断处理方式，取决于功率电路的拓 33第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计扑结构。二级拓扑结构中，驱动信号直接关断 IGBT；三级和多级拓扑结构中， 采用分级关断方式，由控制电路根据驱动信号反馈的情况，决定级联 IGBT 的关 断顺序。 应用了光纤的驱动电路，给出 2 种处理方式， “2-level 模式”和“3-level 模式”。图 3-8驱动信号短路保护的 3-leve 模式“3-level 模式”对应三级和多级拓扑结构。首先驱动信号第一个边沿反馈 回 900ns 宽的小脉冲，表明正常开通。短路保护后，约 8.5us， “门极驱动信号” 仍跟随“PWM 信号”维持原状态，而“状态返回信号”则跳转为高电平，通知控 制电路需要顺序关断 IGBT，如图 3-8 所示。图 3-9 驱动信号短路保护的 2-leve 模式“2-level 模式”对应二级拓扑结构。短路保护后，门极驱动信号直接关断 IGBT,状态返回信号维持高电平约 1s 。目前应用的 SRD 系统功率电路，常采用 34第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计结构简单的二级拓扑结构，所以，短路时，驱动信号对 IGBT 采用直接关断的处 理方式，实测波形如图 3-9 所示。3.4 大功率 SRD 控制电源设计功率电路干扰耦合到控制电路的一个重要途径就是电源，大功率 SRD 系统 中，一般用开关电源为控制电路供电，同时也为驱动电路供电，如果电源设计 不合理，就可能导致功率电路干扰通过驱动电源耦合到控制电源，最终导致控 制电路工作不正常，甚至运行中整个系统突然崩溃。3.4.1 中小功率 SRD 开关电源方案一般在中小功率 SRD 系统中，多采用单端反激式开关电源作为控制电路和推 动电路供电电源。单端反激式开关电源具有滤波电路简单，体积小，效率高， 多路输出设计容易等优势[43][44]。 以采用 841 作为 IGBT 的驱动电路为例（841 电源未采取内部隔离） ，由开 关磁阻电机功率电路三相半桥方式的拓扑结构可知，推动电源的参考地上下桥 臂不同，上桥臂参考地为悬浮状态，下桥臂参考地为负母线，因此，上桥臂工 作过程中电源共模干扰大于下桥臂。 为了保证每个桥臂上的 IGBT 推动电路都能 正常工作，不互相干扰，一般上桥臂三个 IGBT 的驱动采取独立电源供电，下桥 臂可以共用一组电源。控制电源专门为控制芯片供电，为防止干扰，控制电源 与推动电源必须电气隔离。因此，这就要求开关电源变压器输出至少要有 5 路 以上。 在低压系统中，开关电源变压器原边直接从母线获取电流，经过功率开关 MOSFET 的斩波和脉冲变压器实现 DC/DC 隔离变换，通过合理的变压器设计， 副边可以获得多路电气隔离的输出控制电源、推动电源。图 3-10 所示结构即为 小功率 SRD 常用的单端反激式开关电源设计方案。35第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计图 3-10 单端反激式开关电源随着 SRD 功率的增大、 电压的提高， 继续使用此电源模式将带来以下问题。 第一，输出功率无法满足要求。随着 SRD 功率增大，功率开关元件容量增大， 需要的推动电流增大，这就需要提高开关电源的输出功率，使用单个单端反激 式开关电源将无法满足要求。 第二，高电压带来设计难题。随着电源电压提高，母线电压等级被提升，使得 从母线直接获取电流变得困难，这需要高耐压的 MOS 开关器件，开关电源变压 器的绝缘等级也需要提高，整个电源板的绝缘等级都需要提高，从系统安全、 人身安全、制造成本角度考虑这种设计是无法接受的。 第三，电磁兼容状况恶化。中压大功率 SRD 功率开关工作在高电压、大电流状 态下，高 dv/dt 极易遭成电源系统中的传导和磁辐射干扰，只靠一级脉冲变压器 隔离， 很 难达到 抗 干 扰 目的。 图 3-11 所 示 为开关 电源 进线 在 电 快 速 脉冲 2KV/5KHz 干扰状态下的 15V 电源输出波形。图 3-11 电快速脉冲 2KV/5KHz（电源线传导）干扰下控制电源 15V 输出波形36第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计3.4.2 中压大功率 SRD 开关电源解决方案对于 400KW/1140V 系统，需要为每个桥臂光纤驱动模块提供 15W 供电能 力，再加上控制电源，开关电源的总容量达到 120W。为了保证供电容量，同时 兼顾可靠性与电磁兼容性能，本课题提出了中压大功率 SRD 专用的两级分立式 开关电源供电模式。电源系统拓扑结构如图 3-12 所示。图 3-12 中压大功率 SRD 控制电源系统拓扑结构由图中可以看出，整个电源系统大体可以分为三部分构成：电源输入级、 一级开关电源电路、二级开关电源电路。 输入级主要由电源变压器、电源滤波器、整流电路构成。变压器隔离耐压 达到 5000V， 原副边之间采用屏蔽层隔离并接地。 变压器的使用实现了电压由高 压变到低压的功能，也为功率电路与开关电源之间增加了一级隔离。电源滤波 器采用三相相三线制，主要用于消除电源的共模干扰和差模干扰，解决电源的 传导发射、EMC\EMI 问题，提高下级开关电源工作的可靠性。 一级开关电源由两个大功率的单端反激式开关电源构成，单路输出型式， 电压为 24V，功率 60W，工作频率 50KHz。通过这种分配，两个开关电源满足 37第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计了整个系统控制、推动电源的供电需要，同时也减小了变压器制作难度。另外， 针对大功率 SRD 电磁兼容情况恶劣，从工艺上，开关电源的变压器绕组间加强 了屏蔽措施，从技术上，通过提升工作频率减少了匝数。大大减小了变压器原 付边之间的耦合电容，提高了隔离、抗干扰的能力。 二级开关电源主要由多路小功率、 低成本的单路或双路 DC/DC 变换器组成， 用于获得不同用电设备需要的电源电压，此级开关电源有隔离与非隔离型号， 根据用途不同可以进行选择。隔离型 DC/DC 变换器主要用于推动与推动电源之 间，推动电源与控制电源之间的隔离，目的是抗干扰；非隔离型主要用于电压 变换，效率高。小功率开关电源均采用 300KHz 工作频率，耦合及分布电容进一 步减小，进一步起到了隔离和抗干扰的作用。图 3-13 DC/DC 隔离电压变换综上，大功率 SRD 开关电源系统通过以上三级处理方式，不但解决了电源 供电容量问题，还带来以下好处： 第一，双开关电源并行供电与采用单个大容量开关电源供电相比，效率高，降 低了变压器的设计难度； 第二，开关电源发热量低，所有的开关电源自然冷却即可满足要求，提高了开 关电源工作的可靠性； 第三，通过三级隔离，使耦合电容尽量减小，大大提高了中压大功率传动系统 中控制电源的电磁兼容性能，中压大功率 SRD 电源电磁兼容性能测试如图 3-14 所示。38第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计图 3-14 电快速脉冲 2KV/5KHz（电源线传导）干扰下控制电源 5V 输出波形3.5 整流单元可靠性设计控制单元制动工作时，其发电的能量通过整流单元逆变回馈电网。作为四 象限开关磁阻控制器的组成部分，整流单元工作可靠性同样重要。 目前市场上的整流单元产品多为为低压产品， 其控制电路如果应用在 1140V 电压等级产品中，会带来很多问题。 首先，高压直接引入控制板，对整个控制板的绝缘性能要求提高，在 PCB 板上对 660V/1140V 电压等级信号做绝缘处理，显然是行不通的。 其次，制动工作状态下的直流母线电压值，取决于设定的门槛值，为了防 止电网电压过高回馈误动作，门槛值设得比较高，因此无论电网电压或高或低， 母线电压均维持在一个较高的位置，整个系统处于高压状态下工作，可靠性降 低。 针对上述问题，本项目对整流单元控制电路进行了改进和提高。整流单元 控制电路系统框图如图 3-15 所示。图 3-15 整流单元控制电路系统框图39第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计第一，对于相序检测模块，本项目采用了移相变压器、电压互感器方法对 电源相序信号隔离降压后，引入控制板，增加低通滤波电路，解决了绝缘耐压、 抗干扰问题的同时，对谐波的抑制能力大大加强，提高了能量回馈的效率和可 靠性。图 3-16 带相位补偿的电网电压相位检测系统框图相位检测电路如图 3-16 所示。移相变压器可以采用 Y/△方式，当电网电压 相序为正时，变压器付边输出相位超前原边 π/6，对该信号采用低通滤波器进行 滤波，滤波电路的参数要满足两个条件：第一，对基波信号移相滞后 π/6，第二， 能够对三次以上谐波造成衰减。以最简单的一阶无源滤波电路为例，一般表达U0 = UI 1 + jωRc , 对基波而言，ω=2πf，对基波 f 取 50Hz，并选取合适的 RC 时式为间常数，使得 θ = artg ω Rc =π/6，从而补偿了移相变压器对基波产生的超前相移， 同时在此参数下，对基波和三次谐波的幅值衰减比例为 1：1.72，若采用二阶滤 波电路，衰减比例可以达到 1：3，能更加有效的消除三次谐波以上的干扰，使 得检测波形接近正弦。 第二，浮动门槛电压检测电路设计。通过对采集到的电网电压相序信号进 行有源整流，获得正比于电网电压信号的门槛电压值，此门槛值随电网电压信 号变化而变化，作为电压环 PI 调节器的输入的参考信号。通过这个措施，可以 实现回馈状态下的母线电压值与电动工作状态下的母线电压值之差保持在 60V 以内。大大提高了系统的电磁兼容性能和功率电路的可靠性。 门槛电压值的获取电路如图 3-17 所示。 IN 为单向交流输入， 通过 V2、 V3 的 整流作用，再经过电解电容的滤波后，得到一个正比于电网电压的直流信号， 以此作为，成为进行能量回馈的动作参考值。40第三章 中压大功率 SRD 功率电路设计图 3-17 有源整流电路3.6 小结本章主要介绍中压大功率四象限开关磁阻控制器的硬件设计，突出为了适 应中压大功率应用的需要，对功率电路、驱动电路、开关电源、整流单元等所 做的特别设计。 中压大功率SRD的难点是解决电磁兼容问题， 本章重点介绍了大 功率SRD中光纤驱动的应用方法， 高可靠性开关电源设计方案， 重在提高功率电 路工作的稳定性。功率电路的稳定与可靠，是展开电机控制的基础，下一章进 一步对中压大功率SRD的控制核心电路、控制策略进行介绍。41第四章 基于 DSP 核心的控制电路设计第四章基于 DSP 的控制电路设计上一章主要介绍了中压大功率 SRD 的功率电路、驱动电路、电源系统的设 计，这些是实现 SRD 功率扩大化的重要研究方面。另外一方面，SRD 是一个机 电一体化产品，其输出性能依靠电机设计和控制手段共同决定，本章将重点对 中压大功率 SRD 的控制电路系统结构、控制策略、软件设计等方面进行介绍。4.1 开关磁阻电机控制电路系统结构如图 4-1 所示，开关磁阻电机调速系统的控制单元包括控制电路 CPU、功 率电路、驱动电路、电机传感器电路、电流、电压检测电路以及端子 I/O、显示 电路接口等。图 4-1 基于 DSP 的控制电路系统框图其中电机传感器电路能提供转子的位置信息从而计算转速，同时也为判断 电机各相绕组的通断提供依据；电流、电压检测电路提供绕组电流、电压大小 来完成电流斩波控制和对系统的过流、过压及欠压保护动作；人机交互模块主 要包括多功能 I/O 接口和 LED 显示面板，能通过 I/O 端子及显示板键盘启动停 止电机等功能，且通过 LED 显示实时数据。由显示板输入 SRM 转向以及起动 停止的命令，CPU 根据电机传感器提供的当前位置信号进行分析，得出对应的 相通断信号。相通断信号、与电流斩波信号经逻辑综合，输出至驱动电路，驱 动主开关管的开通与关断从而使电机转子转动；当转子转过一定角度时，CPU 42第四章 基于 DSP 核心的控制电路设计会根据位置信号的变化重新分析，改变相应通电的绕组，使电机维持运转。当 电机处于低速时，进行定角度电流斩波控制；当电机转速达一定值时，控制由 定角度电流斩波控制转为变角度电压斩波控制或单脉冲控制。若运行中出现过 流、过压及欠压故障，CPU 将输出关断相信号，直至电路恢复正常。下面将详 细介绍一下控制器硬件系统中各主要部分的电路设计。4.2 DSP 及其接口电路4.2.1 控制核心 CPU 采用 DSP 实现TMS320F240 是美国德州公司专为数字式电机控制（DMC）应用而推出的 一种低价格高性能 16 位定点运算的 DSP， 它将 DSP 内核和丰富的微控制器外设 功能集于一身，具有 DSP 的高速运算能力和对电机的高效控制能力，使得 SRM 系统的全数字化控制成为可能，也使得建立在一些复杂控制算法基础上的控制 原理可以实时地在线计算和对系统优化处理。本文提出的基于该 DSP 的全数字 SRM 驱动系统，可以充分利用 DSP 的高性能和丰富外围设备资源，简化系统硬 件，也使得数字电流控制和模糊角度补偿在线实时控制得以实现。本项目采用以 DSP 芯片（数字信号处理器）为控制核心的全数字控制电路， 43GAL16V8图 4-2 系统硬件框图第四章 基于 DSP 核心的控制电路设计实现了电流控制、PWM 控制、单脉冲控制三种工作方式，尤其在高速状态采用 效率更高的单脉冲控制方式，有效的降低了系统的发热，DSP 及其外围接口如 图 4-2 所示。4.2.2 接口电路设计（1）模拟量输入输出接口 模拟量输入接口主要用于采集三相电机绕组电流、母线电压信号，用于计 算输出转矩和构成电流闭环控制。 模拟量输入接口采用隔离运放进行隔离如图所示：图 4-3 模拟量输入电路模拟量输出接口采用 DSP 定时器 1 比较/PWM 输出， PWM 输出滤波后作 为模拟量输出接口，可以将电机转速、母线电压等信号以 PWM 占空比调节的方 式进行输出。图 4-4 模拟量输出电路44第四章 基于 DSP 核心的控制电路设计（2）CAN 总线接口电路图 4-5DSP 与 SJA1000 接口原理图TMS320F240 内部没有集成 CAN 控制器，因此，本项目采用比较常用的独 立 CAN 控制器 SJA1000 作为系统 CAN 总线扩展。选择 82C250 作为收发器， 其连接方法如图 4-5 所示。 SJA1000 与微处理器的接口主要由 8 根数据和地址分时复用线完成： AD0~AD7、ALE/AS、 CS 、 RD /E、 WR 、CLKOUT、 INT 、MODE 和，其中 MODE 为接口方式选择信号，可设置成 Intel 方式或 Motorola 方式。 由于 SJA1000 的数据和地址信号为分时复用，而 DSP 为数据、地址信号分 离的结构，而且 DSP 不提供 ALE 信号，因此接口的设计需要 DSP 把 SJA1000 的地址当成数据写入并同时产生 ALE 信号。 地址数据复用线的设计 将 DSP 的数据线 D0～D7 作为 CAN 的地址/数据复用线，用 DSP 的数据线 去选择 CAN 的内部端口和传送数据。 地址有效信号 ALE 的产生 对于 TMS320F240，用地址线 A8、写选通信号 WR 和端口选通信号 STRB 的逻辑组合产生 DSP 的 ALE 信号。 读、写信号的产生 45第四章 基于 DSP 核心的控制电路设计对于 TMS320F240， 用读信号和 A8 的逻辑组合产生 SJA1000 的读选通信号， 用写信号和 A8 的逻辑组合产生 SJA1000 的写选通信号。表 4-1 SJA1000 选通逻辑A8 1 0 0TMS320F240 STRB R/ W 0 0 0 0 0 1WE X 0 1ALE 1 0 0SJA1000 WR 1 0 1RD 1 1 0综上， TMS320F240 与 SJA1000 的接口就是将 DSP 的数据线改为适应 CAN 控制器的数据地址线，为此将 DSP 的 A8 作为地址数据选择线。当 A8=1 时， 地址有效；A8=0 时，数据有效。同时，通过信号的逻辑组合，在地址有效期间 不产生读写信号，而是产生满足 CAN 的地址有效信号 ALE；在数据有效期间产 生满足 CAN 的读和写逻辑信号时序， 表 4-1 组合逻辑通过一片 GAL16V8 产生。 （3）485 接口电路 TMS320F240 有较强的串行通信能力，设计到的控制类寄存器较多，这使系 统设计比较灵活。设计时，首先对控制类寄存器进行初始化，包括数据格式、 中断使能、中断优先级、波特率等参数的设置。初始化完成以后，就可以发送 和接收数据了。如果要发送数据，只要把数据写入 SCITXBUF 即可，由串行通 信 SCI 模块自动完