控制电机

Chapter9DoublySalientMotors双凸极电机驱动系统微特电机及系统合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor一、开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor)1.结构特点AA'BCDB'C'D'EsS1S2VD1VD21231'2'3'1定子和转子均为凸极结构；2定子上空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组3转子上无绕组4最常见的组合为6/4极，8/6极或12/8极。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor定子6极，转子4极定子8极，转子6极定子12极，转子8极合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor开关磁阻电机驱动系统组成框图PowerconverterControllerSensorSRmotorPositionCurrentSpeedreference合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor2.工作原理1当转子齿正对定子槽时，绕组电感有最小值；2当转子齿与定子齿对齐时，绕组电感有最大值；3当转子旋转时，绕组电感随之变化合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor开关磁阻电机的运行原理是“磁阻最小原则”在图示位置，当给B相绕组通电，转子将倾向于顺时针方向旋转，使磁路磁阻减小，直至转子齿2与定子齿B完全重合。然后，B相断开，A相通电，转子磁阻转矩将进一步使转子向前转动至转子齿1与A相重合。转矩方向总是朝着最接近的定转子齿重叠的位置。按B-A-D-C顺序通电，转子将按顺时针方向连续旋转1S2SABCDA'B'C'D'1231'2'3'合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotordtdLidtdiLdtdereddLiLidtddtdddLiLidtddtdLiLidtddtdLidtdiiLeiP2222222212121212121ddLiTe221refTdtdW为电磁转矩，Wf为磁场储能r为转子机械角速度合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor由转矩公式可知：1.开关磁阻电机的转矩大小与电流平方成正比，因此转矩方向与电流方向无关，故可以采用单极性电流供电。2.转矩与绕组电感对转子位置角的变化率成正比，因此，只有当绕组电感随转子位置角而增大时，给绕组通电才能产生正向电动转矩。当电感随转子位置角而下降时，如绕组中仍有电流，则将产生制动转矩。3.相绕组关断后绕组电流不能突变为零，有一个延续过程。为防止绕组电流延续到负转矩区，必须在绕组电感开始下降之前提前关断绕组。ddLiTe221合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor3基本控制策略A.低速时的电流斩波控制（Currentchoppingcontrol-CCC)在电感很小时使绕组开通，电流快速上升。为防止电流过大而损坏电机，当电流达到最大值Imax时，使绕组关断，电流开始衰减，当电流衰减咸至Imin时，绕组重新开通。在最大电感出现之前必须将绕组关断，以免电流延续到负转矩区。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotorB.高速时的角度位置控制（Angularpositioncontrol-APC)高速时，由于反电势大，电流受到限制，上升较慢。当到达最大值后，因电感的增加，电流返而下降。同样，为避免电流延续到负转矩区，绕组要在电感到达最大值之前关断。速度越高，要关断的越早。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor典型机械特性0bscconst.Tconst.T.const2TTorqueSpeedSeriesdcAPCCCC合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor4功率变换电路每相一个开关管四相驱动电路（每相二个开关管）合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor5开关磁阻电机的非线性特性以上分析都是在线性条件下进行的。实际电机磁路为非线性。磁场分布合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor120i(p.u.)=1.086.071.060.036.029.021.007.0Inductance(p.u.)0.175.050.025.0Rotorangle非线性电感1200.250.500.751.0i=1.0(p.u.)0.700.400.15Torque(p.u.)Rotorangle非线性转矩合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor6开关磁阻电机的优缺点：优点：1.结构简单，无刷，转子上无绕组和永磁体，可靠性高；2.采用集中式绕组，绕组端部短，省铜，绕组电阻小，效率高；3.因转矩与电流方向无关，可用单极性电流供电，故功率变换器可简化，每相可用一个功率器件，不仅降低了成本，还避免了上、下桥臂直通问题。缺点：1.由于只有当电感变化率为正时绕组才能导通，一个周期中只有半个得到利用，因此系统效率和材料利用率相对较低；2.定子绕组既要提供有功电流，又要提供无功电流，增大合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor了绕组和功率变换器的VA容量；无功（励磁）电流在绕组和功率器件中产生损耗，降低了系统效率；3.由于开关磁阻电机的绕组电感较大，并且绕组关断时电感处于电感最大值位置，关断后电流衰减慢，很容易延续到负转矩区，因此绕组需要提前关断，速度越高，提前量就要越大，使绕组有效导通区间减速小，削弱了电机的出力。4.因定转子为双凸极结构，转矩脉动分量较大，会引起振动和噪声。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor二、双凸极永磁电机（Doublysalientpermanentmagnetmotor-DSPMmotor)1结构特点NSNSWindingStatorRotorPMABCD定转子均为凸极结构定子齿上装有集中式绕组转子上既没有绕组，也没有永磁体—适合高速运行定子上装有永磁体—结构稳定，易于冷却；由于主磁路中放有两块磁导率与空气相近的永磁体，绕组电感比SR电机要小很多。8/6极DSPM电机截面图合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor6/4-poleDSPMmotor12/8-poleDSPMmotor合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor2工作原理当转子齿进入定子齿下时，该定子绕组的磁链和电感均随之增加，当转子齿与定子齿完全重合时，磁链有最大值；当转子齿离开定子齿时，磁链随之减小，当转子齿对着定子槽时，磁链有最小值。ImImwcrm1234pmionoffonoffpmLidtddtdLidtdiLdtdepmeedtdiLr合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor忽略铜耗和铁耗，则电磁功率为：eiPedtdidtdLidtdiiLpm2rpmddiddLiLidtd222121rewTWdtdrpmpmeTTddLiddiT221每相电磁转矩为：Tpm为永磁磁链与电枢电流相互作用产生的永磁转矩；Tr为绕组电感变化而产生的磁阻转矩，因电感很小，磁阻转矩分量较小，永磁转矩占主导地位。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor当磁通变化率为正时，通入正电流，产生正转矩；当磁通变化率为负时，通入负电流，仍产生正转矩。可见，一个周期内两个区间均得到利用，所以，DSPM电机的功率密度高，材料利率高。DSPM电机需要双极性电流供电。ddiwddiTpmpmpm0102030405060708090Rotorangle(degree)-0.50.00.51.01.52.02.5Torque(Nm)TrTpmTe6/4极DSPM电机的转矩（每相值）合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor3基本控制策略低速时的电流斩波控制（Currentchoppingcontrol-CCC)i0onoffoffon合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor高速时的角度位置控制（Angularpositioncontrol-APC)ononoffoffi0在正半周，因永磁磁链和电感的变化率均为正，电流上升较慢。在负半周，因开始时的反电势较大，电流变化较慢，但到负半周的后部，因反电势变小，电感也较小，电流快速增加到很大的数值，为免电流过大，仍需进行斩波限流。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor4功率变换电路为获得双极性电流，基本的功率变换电路有两种：一是每相一个全桥电路。每相需要四个功率器件，绕组电压就等于直流电源电压。全桥功率变换器合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotorsignalsGatingconverterPower1S2S3S4S5S6S7S8S2C1CDSPMmotorABCDA'B'C'D'CurrentregulationcontrollerpositionRotorsensoraibicidi0i二是带分裂电容的半桥功率变换器。用两个电容将直流电压一分为二；绕组电压等于直流电压的一半；每相需要二个功率器件。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor5转子位置传感器SlotteddiscDSPMmotorhousingOpto-couplersRotorshaftpSqS8/6极DSPM电机位置传感器601530pSqSmechanicalangleelectricalangle0015304560901802700360/state:01101100ABCD位置信号与磁链之间的关系合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor6控制系统构成PI*r),(*eTf*eTrConverteroffonoffonDSPMmotorCurrentsensorPositionsensorCurrentcontroller*IiurSpeedestimatorMicrocomputerPositionestimator合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9DoublySalientMotor非线性特性0102030405060Rotorangle(degree)00.10.20.30.4PMfluxlinkage(Wb)PMfluxlinkage0102030405060Rotorangle(degree)010203040Inductance(mH)PM-2APM+2ASelf-inductance可见，绕组电感不仅是转子位角的函数，而且与电枢反应磁场对永磁体是去磁还增磁作用有关。PM-2A表示电枢电流磁场与永磁磁场反向，起去磁作用，磁路饱和程度低，故电感较大。反之，PM+2A时电感较小。合肥工业大学电气与自动化工程学院Chapter9Doubl