SRD开关磁阻电动机及其控制
开关磁阻电机的原理及其控制系统
开关磁阻电机的原理及其控制系统开关磁阻电机80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。
具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为交流电机调速系统、直流电机调速系统、无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者。
一、开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。
因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。
所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。
开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。
定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，其定、转子冲片的结构如图1所示。
图1：开关磁阻电机定、转子结构图图1所示为12/8极三相开关磁阻电动机，S1. S2是电子开关，VD1, VD2是二极管，是直流电源。
电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。
电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。
当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时，开关S1, S2合上，A 相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。
通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线O1向定子A相磁极轴线OA趋近。
当OA和O1轴线重合时，转子己达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。
开关磁阻电动机2011
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式中，等号右边第一项为平衡绕组中变压器电势 的压降；第二项为电阻压降；第三项为旋转电势所 引起的压降，它只有在电感随转子位置而变时才存 在，其方向与电感随转子位置的变化率有关：当电 感随口角的增大而增大时为正，当电感随口角的增 大而减小时为负。 在开关磁阻电机中，为获得较大的有效转矩应避 免产生制动转矩，在绕组电感开始随转子位置角口 的增大而减少时应尽快使绕组中电流衰减到零。
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一、开关磁阻电动机控制方式和运行特性 由于开关磁阻电机是一个复杂的非线 性系统，它的电流和转矩受许多因素 的制约，性能计算颇为繁复。
1.电流控制
2.转矩控制
3.转矩脉动和噪声控制
SR电机的运行特性
SR电机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、 恒功率区、自然特性区(串励特性区) 。 在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动 势小，因此需对电流进行斩波限幅，称为电流斩 波控制(CCC)方式，也可采用调节相绕组外加电 压有效值的电压PWM控制方式； 在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关 断角取得恒功率特性，称为角度位置控制(APC) 方式； 在自然特性区，电源电压、开通角和关断角均 固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似， 故亦称为串励特性区。Biblioteka 相电感、转矩随转子位移角的变化
SRD开关磁阻电机驱动系统控制原理
半导体器件应用网
/news/192430.html SRD开关磁阻电机驱动系统控制原理【大比特导读】SRD开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Driver,简称SRD)是磁电机自动化控制技术为基础的机电一体化产品。
它由开关磁阻电动机
与智能电机控制器(驱动器)两部分组成，是继直流电动机、交流异步电动机变频
驱动系统之后发展起来的新一代无极驱动系统。
系统概述
SRD开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Driver,简称SRD)是磁电机自动化控
制技术为基础的机电一体化产品。
它由开关磁阻电动机与智能电机控制器(驱动器)两部分组成，是继直流电动机、交流异步电动机变频驱动系统之后发展起来的新一代无极驱动系统。
系统原理
半导体器件应用网
SRD开关磁阻电机驱动系统控制原理(如图1所示)。
电机内安装有位置传感器，控制器由功率电路和控制电路等单元组成。
工作状态下(如图3所示)，通过控制相绕组的电子开关S1、S2的工作状态，就可以改变电机的转向、转矩、转速、制动等工作状态。
工作时磁场示意图(如图4所示)
电机结构
SRD电机是定子、转子双凸极可变磁阻电机，定子、转子均由高性能冷轧硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子极上绕有中绕组，如图2所示。
开关磁阻电机控制系统设计
摘要开关磁阻电机调速系统是一种新型电机调速系统，结构简单，成本低，调速性能优异，是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者，具有强大的市场潜力。
本文以DSP为控制核心，研究并设计了15kW三相12/8极SRM的调速实验系统，用于SRM控制技术的研究。
本文概述了开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive，简称SRD)及其发展和研究现状，论述了其主要研究方向，阐述和分析了开关磁阻电机的结构、运行原理以及系统控制。
并且对SRD系统总体硬件结构进行了设计。
采用不对称半桥型结构，在进行了相关功率器件选型计算的基础上设计了该SRD调速实验系统的功率变换器。
然后，以TMS320LF2407为核心设计了开关磁阻电机控制系统的硬件电路，给出了包括电流检测、位置检测、故障保护等部分电路的详细设计，充分利用了DSP的丰富外设资源，达到了简化电路结构、提高运行可靠性的目的。
另外本文讨论了开关磁阻电机控制软件的设计，采用模块化编程方法，采用基于多中断的控制程序，提高了控制软件的效率。
最后，利用MATLAB/SIMULINK对上述12/8极开关磁阻电机调速系统建立了非线性仿真模型，并对该系统进行了仿真实验，实现了调速，并达到了开关磁阻电机调速系统研究和设计的预期目标，验证和深化了前文所取得一些理论成果，同时也为更近一步研究打下了基础。
关键词：开关磁阻电机；调速系统；DSP；MATLAB/SIMULINK；仿真ABSTRACTSwitched Reluctance Drive system is a new motor drive system. It has many good features for example simple structure, low cost and excellent driving performance. It's the strongest competitor to traditional AC and DC drive system, so it has powerful future.This paper developed a speed experimental system for a 3-phase 12/8-pole SRM of 15 kW based on TMS320LF2407 DSP, which can be used for the technical research on SRM control.The thesis summarizes the development and research of switched reluctance drive (SRD), discusses the main research direction. The structure of SRM, operation principle, and the control scheme of the SRD are elaborated and analyzed. And the whole structure of hardware is schemed out for the SRD speed experimental system. Adopting the dissymmetry half-bridge structure, a power converter is designed for the system after selection calculation of the corresponding devices. Then, TMS320LF2407 DSP is used to design the hardware circuits of SRM control system, and design details including the current detection, position sensing, fault protection and PWM output etc. are provided. Because of the full use of the abundant peripheral resources of DSP, it comes to the aim simplifying the circuit structure and heightening the reliability. Also, the thesis discusses the routine designing issue. Because the modularized programming method is adopted, and multi-interrupt processing technique is used, operation efficiency of the control software is highly raised. At last, with the MATLAB/SIMULINK a nonlinear simulation model for the foregoing 12/8-pole SRM control system is established. And the simulation experiments have been done on this model. Speed adjustment is realized, and other targets on the research and design of SRM control system are reached, which establishes a good foundation for further research.Keywords：Switched Reluctance Motor; Drive System; DSP; MATLAB/SIMULINK；Simulation目录1 绪论 (1)1.1开关磁阻电机的发展概述 (1)1.2开关磁阻电机调速系统组成 (2)1.3开关磁阻电机调速系统研究现状和方向 (2)1.4本文研究的内容 (4)2 开关磁阻电机原理 (5)2.1开关磁阻电机的基本结构和运行原理 (5)2.1.1电机结构 (5)2.1.2运行的原理 (6)2.1.3电机的基本方程 (7)2.2开关磁阻电机调速系统的基本控制方式 (8)2.2.1角度控制方式(APC) (9)2.2.2电流斩波方式(CCC) (10)2.2.3电压斩波PWM控制方式 (11)2.2.4组合控制 (13)2.3系统控制方式及控制策略的确定 (13)3 SRD调速实验系统硬件设计 (15)3.1 SRD系统设计方案 (15)3.2基于TMS320LF2407控制器的SRD系统硬件结构设计 (16)3.3功率变换器设计与选型 (18)3.3.1功率变换器主电路的选择 (19)3.3.2功率开关器件的选择及参数计算 (19)3.3.3 IGBT驱动电路的设计 (21)3.4控制、检测和保护电路的设计 (22)3.4.1转子位置检测 (22)3.4.2 PWM输出电路 (23)3.4.3电流检测电路 (24)3.4.4故障检测与保护电路 (25)3.4.5键盘与显示电路 (27)4 软件设计 (29)4.1总的设计思路 (29)4.2主程序设计 (29)4.2.1初始化子程序 (29)4.2.2键盘和显示子程序 (31)4.2.3功率驱动保护子程序 (32)5 SRD系统仿真 (34)5.1基于MATLAB/SIMULINK的SRD非线性仿真模型的建立 (34)5.2 CCC方案下SRD仿真模型 (35)5.3 仿真结果 (40)6 总结 (45)参考文献 (46)翻译部分 (48)中文译文 (48)英文原文 (57)致谢 (68)1 绪论开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Drive，SRD)是80年代中期发展起来的新型调速系统[1]。
开关磁阻电机及其控制系统
DRIVE2=PWM1*CHOPIA*PHASE2+PWM1*CHOPIB*PHASE2
DRIVE3=PHASE3*PWM2
DRIVE4=PHASE4*PWM2
DRIVE5=PWM1*CHOPIA*PHASE5+PWM1*CHOPIB*PHASE5
DRIVE6=PHASE6*PWM2 U2分为两部分，一是S1、S2两路转子位置信号经过异或逻辑后产
开关磁阻电动机/发电机模式示意图
a 励磁阶段电流流向
SRG电路工作示意图
b 发电阶段电流流向
SRG系统的一般构成
结束
1.0 83 80
电动机容量/体积
1.0
0.9
控制能力
1.0
0.5
控制电路复杂性
1.0
1.8
可靠性
1.6
0.9
噪声/dB
65
72
>1.0 0.9 1.2 1.1
72
8.2 开关磁阻电动机的控制方式
SRD系统的控制方式是指电动机运行时如何通过一定的 控制参数进行电机的控制，使得电动机达到给定的转速值、 转矩值等运行工况，并保持较高的效率。和大多数其他电 动机不同，SRD系统中，可以说，没有控制就没有SR电机， 因为没有对电机绕组通电顺序的选择与控制，电机是不会 运行的，不像其他电机，即使没有控制装置，电机是可以 启动运行的，只不过其运行的方式一般比较单一，可控性 差而已。
定、转子相对位置及相绕组电感曲线
数学模型：（电压方程）
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开关磁阻电机控制策略
开关磁阻电机控制策略研究摘要：开关磁阻电机驱动系统（SRD）是近20年得到迅速发展的一种交流调速系统。
其结构简单、工作可靠、效率高和成本较低等优点而具有相当的竞争力。
本文首先介绍了开关磁阻电机控制策略的研究现状和趋势，推导了开关磁阻电机的数学模型，然后详细介绍了两步换相控制、基于转矩分配函数的转矩控制、智能控制、直接瞬时转矩控制等控制策略。
又基于Matlab/Simulink仿真验证了开通角、关断角对电机电流转矩的影响，最后得出以转矩为控制对象的新型控制策略仍将进一步发展。
关键词：开关磁阻电机；转矩分配函数;直接瞬时转矩控制；Control Method of Switch Reluctant Motor‘Abstract：Switched reluctance motor drive system (SRD) is a kind of ac speed regulating system with nearly 20 years rapid development 。
Its simple structure，reliable operation, high efficiency and low cost advantages are quite competitive.This dissertation first introduces the research status and the control strategy of the switched reluctance motor trend, the mathematical model of the switch magneto is deduced，and then introduced the two—step commutation control，based on the torque distribution function of torque control, intelligent control，direct instantaneous torque control and so on.And based on the Matlab/Simulink ，the influence of the opening Angle, shut off the Angle to the motor torque were verified，finally concluded that the new control strategy will continue to develop further with the torque as the object.Key words: switched reluctant motor; torque share function ；direct instantaneous torque control(DITC)1引言开关磁阻电机结构简单、成本低廉、坚固耐用、可靠性高；调速范围宽和启动性能优［1-3］。
开关磁阻电机的原理及其控制系统
开关磁阻电机的原理及其控制系统开关磁阻电机80年代初随着电力电子、微电脑和控制理论的迅速发展而发展起来的一种新型调速驱动系统。
具有结构简单、运行可靠、成本低、效率高等突出优点，目前已成为交流电机调速系统、直流电机调速系统、无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者。
一、开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机的工作原理遵循磁磁阻最小原理，即磁通总是要沿着磁阻最小路径闭合。
因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的磁阻要有尽可能大的变化。
所以开关磁阻电动机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。
开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。
定、转子铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，其定、转子冲片的结构如图1所示。
图1：开关磁阻电机定、转子结构图图1所示为12/8极三相开关磁阻电动机，S1. S2是电子开关，VD1, VD2是二极管，是直流电源。
电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。
电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。
当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线O1不重合时，开关S1, S2合上，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。
通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线O1向定子A相磁极轴线OA趋近。
当OA和O1轴线重合时，转子己达到平衡位置，即当A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。
开关磁阻电动机控制技术分析
开关磁阻电动机控制技术分析发布时间：2021-04-23T09:15:09.770Z 来源：《科学与技术》2021年3期作者：秦松平[导读] 开关磁阻电动机，有其强大驱动系统，秦松平哈尔滨电气集团佳木斯电机股份有限公司黑龙江佳木斯 154002摘要：开关磁阻电动机，有其强大驱动系统，该结构能发挥出较为优异的控制应用性能，而在驱动系统中，各项设备模块共同组成驱动体系，帮助电动机能在较高控制效果下，完成各类操作。
SRD驱动系统属全新调速型系统，相比于直流驱动、交流驱动，调速驱动能具备稳定性强、操作失误率低等优势，且具备较大发展空间，所以对其控制技术加以研究，有其必要性。
关键词：开关磁阻；电动机；控制技术1 开关磁阻电动机其应用特征当作为调速驱动而进行使用时，电动机应具备一定特征，确保驱动系统能保持相对稳定状态，维持较高应用效率。
第一，电动机其结构简单且坚固。
电动机中转子是依靠硅钢片进行叠压形成，而定子线圈需要采用集中绕组方式，由此整个电动机结构凭借简单工艺，可更好作用于不良环境，如高温、强振动等。
第二，电动机能够作用的调速范围较广，并且操作灵活，便于电动机完成各类特殊需求下的机械使用途径，并且在宽广转速下，电动机可取得更高运行效率，所以电动机可完成多数控制需求工作。
第三，电动机损耗主要源自定子，转子因为并不具备永磁体，所以可在温升情况下依旧保持良好效率进行运作，而电动机整体降温冷却效率较高，因此电动机能在较大弹性环境下完成相关应用。
不同的应用特征都将影响电动机实际运作效率，但电动机整体硬件性能优异，可以在不良环境中完成调速结果，由此可在舰船等作业环境下，有极大应用优势。
2 SRD微机控制的硬件设计2.1 结构设计电动机及其相关设备，是开关磁阻的重要部分，其结构简单，对比异步电动机，设计因素更简洁，由此在功率变换器上也具备简单电路结构，所以其设计、制造成本很低，能拥有较大应用性价比。
但电动机实现控制，主要还要参考相关运行条件，所以当不同种类转子其位置发生改变时，绕组开关器件还易发生通断行为，为保持电动机性能稳定，需要对其结构加以完善设计。
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电源
功率变换器
SR 电动机
负载
控制信号
电流检测 位置检测 控制器
（一）开关磁阻电动机SRM
1、工作原理：遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径 （maximum path）闭合的原理，产生磁场拉力形成 转矩——磁阻转矩（reluctance torque）。 2、结构（configuration）：一般采用凸极定子 （salient stator）和凸极转子（rotor）。
command），实现对SR电机运行状态的控制。 构造：由微机或数字逻辑电路（digital logic
circuit）及接口电路（interface circuit）构成。 要求控制器具有如下性能（performance）： 1）电流斩波控制（chopper control）； 2）角度位置控制（angle-position control）； 3）起动（start）、制动（brake）、停车及四象
限运行（four quadrant operation）； 4）速度调节（speed regulating）。
（四）位置检测器
向控制器提供转子位置及速度等信号 （signal），使控制器能正确地决定绕组的导 通（conduction/on）和关断（shut /off）时 刻。通常采用光电器件（photoelectric element）、霍耳元件或电磁线圈法进行位置检 测(detecting)。
定子装有集中绕组（concentrated winding）、直径（diameter）方向相对的两个绕组 串联（series）成为一相。
转子由叠片（laminated iron sheet）构成。无绕 组、无换向器（commutator）、无集电环(slip ring)。
SR电机结构与原理
结构特点：
依次给A-B-C-D绕组通电，转 子逆励磁顺序方向连续旋转
电机原理演示
VV’ 相通电→2-2’ 与V-V’ 重合
UU’相通电→1-1’ 与U-U依’重合次给U -V-W-R绕组通WW电’ 相，通电→3-3’ 与W-W’重合 转子逆励磁顺序方向连续旋转
RR’相通电→ 1-1’ 与R-R’重合
UU’相通电→ 2-2’ 与U-U’重合
二、开关磁阻电动机的工作原理
(work principle)
当控制器接收到位置检测器提供的电动机内各相 定子齿极与转子齿极相对位置信息，向功率变换器
发出命令。每改变通电相一次，定子磁场轴线移动
2π/NS，转子则每次转过 Гr/ m 。四相轮流(in turn) 通电一次，转子转过一个齿极距。若顺序给U、V、 W、R相通电，则转子按逆时钟方向连续转动。若 顺序给U—R‘—W‘—V’—U轮流导通，则转子按顺 时钟方向转动。故改变轮流通电的顺序(order)，就 可改变电动机的转向，而与通电电流的方向
12/8 极三相开关磁阻电动机
（二）功率变换器(power converter)
SRM电机运行时所需能量的供给者 ，是连 接电源（power supply）和电动机绕组的关 键部件（key component）。
（三）控制器(controller)
作用（function）：综合处理位置检测器、电流 检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈 （backfeed）及外部输入的命令（external input
低于三相的SRM 没有自起动能力
（1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole （2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole （3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole （4）5-phase 10 stator pole/8 rotor pole
开关磁阻电组成与原理 二）开关磁阻电机的基本电磁关系 三）开关磁阻电机的运行状态与控制方式 四）开关磁阻电机电磁设计与性能计算 五）开关磁阻电机控制系统组成
第一节开关磁阻电机组成与原理
一、开关磁阻电动机系统的组成 二、开关磁阻电动机的工作原理
（working principle） 三、开关磁阻电动机传动系统的特点（trait） 四、国内外发展概况和应用（application ）
SR电动机常用的相数与极数组合
相数
SR电机常用方案 34567
89
定子极数 6 8 10 12 14 16 18
转子极数 4 6 8 10 12 14 16
步进角(度) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5
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，还有人在研究两相、单相SRM
(orientation/direction)无关。
运行原理：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
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
一、开关磁阻电动机的组成
开关磁阻电动机驱动系统SRD（Switched reluctance motor driven system）组成： 1）开关磁阻电动机SRM 2）功率变换器（power converter） 3）控制器（controller） 4）检测器 （detector）
SRD传动系统组成
开关磁阻电动机的工作原理
当控制器接收到位置检测器提供的电动机各相定子齿极与转 子齿极相对位置信息，向功率变换器发出命令。
1、双凸极 结构
2、定子集 中绕阻、绕 组为单方向 通电
3、转子无 绕阻
SR电动机定、转子实际结构
开关磁阻电动机的相数与结构
相数与极数关系
1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以 双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数(even number)。 2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。 因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定 子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电 机出力的重要因素。