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开关磁阻电机及其驱动控制系统 SRD 特种电机及其控制教学

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开关磁阻电机PPT课件

开关磁阻电机PPT课件

当电机低速运行时，im很大，必须限幅
电流斩波控制方式 （CCC）
2.4 ψ-i曲线
得到SR电动机各部分的磁通、磁阻 不同转子位置角下的磁化曲线ψ＝f(i)。
φ
在线性模型中，电感L 仅是位置角θ的函数 而与电流无关，因此 对某一θ来讲， ψ＝ Li为一直线。
i
φ i
SR电机线性模型
2.5 转矩与功率
dt 2
2 dt
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
ui d (1 Li2 ) 1 i2 dL
d 2
2 d
当开关导通，单位时间内输入电能ui 一部分增加磁场储能 (1 Li2 )
2
一部分转化为机械能 (1 i2 dL )
当开关关断
2 d
dL 0
d
dL 0
d
一部分转化为机械能 一部分磁场储能返回电源
波变化，不随电流改变
随电流改变。
四相8/6极SR电机定转子实物
1.1.2 功率变换器
能量提供者 包括直流电源和开关器件
1.1.3 控制器和位置检测器
控制器要求具有下述性能： （１）电流斩波控制 （２）角度位置控制 （３）起动，制动，停车及四象限运行 （４）调速 位置检测器提供转子位置信号，使控制器决定
理想SR模型 定子绕阻电感L与绕阻电流i无关 极尖的磁通边缘效应忽略不计 磁导率μ∞ 忽略所有功率损耗 开关动作瞬时完成 转子旋转角速度Ω=C
2.1 电感与转子位置角的关系
Lmin
L(
)
K (
1)
Lmax
Lmin
1 1 1 2 2 3
Lmax K ( 1) 3 4
d d

开关磁阻电机及其驱动控制系统 SRD 特种电机及其控制教学PPT学习教案

开关磁阻电机及其驱动控制系统 SRD 特种电机及其控制教学PPT学习教案
智能控制策略
SR电机的无位置传感器控制 SR电机的振动、噪声研究 无轴承SR电机研究（磁悬浮） SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机
等
第38页/共144页
2.2 SR电机基本方程与性能分析
+
R1
i1
u1
d1/dt
-
+
Rm t...1 im
um
dm/dt
-
耦合磁场
不计磁滞、涡流及绕组间互感时， m相SR电 机系统 示意图 J—转子与负载的转动惯量 D—粘性摩擦系数 TL—负载转矩
变化趋势：结构一定，在θon和θoff不变时
q1 0 q2 q3 q0 q4 q5
第51页/共144页
SR电机绕组电感的分段线性解析式：
Lmin
L(q
)
K (q
Lmax
-q2)
Lmin
Lmax - K (q -q4 )
q1 q q2 q2 q q3 q3 q q4 q4 q 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 。 Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感 , Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。
第36页/共144页
2.1.6 SRD的应用与研究动向
电动车
航空工业
应
家用电器
用
机械传动
精密伺服系统
第37页/共144页
SRD的研究方向
SR电机设计研究：
铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论
SR电机的控制策略研究：
最优控制，减小转矩脉动、降低噪声
具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动 及各种不确定性干扰的新型控制策略

SRD开关磁阻电动机及其控制

SRD开关磁阻电动机及其控制

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)。

SRD开关磁阻电机驱动系统控制原理

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1.ppt

开关磁阻电机1.ppt

运动电动势 (转子位置改变)
机械运动方程：
d2
d
Te
J dt2
D dt
TL
式中 Te——电磁转矩； J—— 系 统 的 转 动 惯 量 ； K——摩擦系数；
TL——负载转矩。
电磁转矩：
SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：
Te
Wc (i, )
磁共能的表达式为：
Wc i (i, )di 0
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
5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普 通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制 器一同使用。
2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构
相数与级数关系
Ns 2km Nr Ns 2k)
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。
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。
各种不确定性干扰的新型控制策略 – 智能控制策略
• SR电机的无位置传感器控制 • • SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等
2.2 SR电机基本方程与性能分析
+
R1
i1
u1
d1/dt
-
+

《开关磁阻电机》课件

《开关磁阻电机》课件
关磁阻电机在电动汽车领域的应用也越来越广泛。
电动汽车的驱动系统需要能够提供更高的扭矩和功率，同时还要具备较 高的可靠性和效率。开关磁阻电机能够满足这些要求，因此在一些高端 电动汽车中得到了应用。
在工业领域的应用
工业领域是开关磁阻电机的重要应用领 域之一，特别是在需要高扭矩、高可靠
性、高效率和高寿命的场合。
发展
开关磁阻电机在发展过程中不断改进和优化，以提高效率、降低成本、减小体积和重量等方面取得显著进展。目 前，开关磁阻电机已经在工业自动化、电动车、家用电器等领域得到广泛应用。
特点与优势
特点
开关磁阻电机具有结构简单、成本低、可靠性高、效率高、调速范围宽等优点。
开关磁阻电机具有更高的能效和可靠性，适 用于需要频繁启动、制动和调速的场合。此外，开关磁阻电机的控制系统简单， 维护方便，适用于各种恶劣环境。
开关磁阻电机的设计、制造和控制系 统已经得到了很大的发展，但仍存在 一些挑战和问题需要进一步研究和解 决。
对未来研究的展望
随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，开关磁阻电 机的性能和功能需要进一步优化和完善。
未来的研究将更加注重开关磁阻电机的智能化、高效化、 小型化和轻量化等方面的研究，以适应更加复杂和多变的 应用场景。
在工业领域中，开关磁阻电机主要用于 驱动各种机械设备，如压缩机、泵、风 机、传送带等。由于其高效、可靠、维 护成本低等优点，开关磁阻电机在工业
领域中得到了广泛应用。
在工业自动化和智能制造领域，开关磁 阻电机的高效性和可靠性也得到了广泛 应用，如机器人关节驱动、自动化生产
线等。
在家用电器领域的应用
家用电器是开关磁阻电机的重要应用领域之一，特别是在需要高效、低噪音、低 维护成本的家电产品中。

开关磁阻电机工作原理及其驱动系统

开关磁阻电机工作原理及其驱动系统开关磁阻电机Switched Reluctance Drivesystem, SRD开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance Drive system, SRD)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。

这使得SR电机驱动系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。

SR电机是一种机电能量转换装置。

根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能——电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能——发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。

开关磁阻电机的发展概况和发展趋势“开关磁阻电机(Switched reluctance motor)”一词源见于美国学者S.A.Nasarl969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才得以发展的主要原因；②磁阻性——它是真正的磁阻电机，定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。

开关磁阻电机的概念实际非常久远，可以追溯到19世纪称为“电磁发动机”的发明，这也是现代步进电机的先驱。

在美国，这种电机常常被称为“可变磁阻电机(variable reluctance motor, VR电机)”一词, 但是VR电机也是步进电机的一种形式，容易引起混淆。

有时人们也用“无刷磁阻电机(Brushless reluctance motor)”一词，以强调这种电机的无刷性。

“电子换向磁阻电机(Electronically commutated reluctance motor)”一词也曾采用，从工作原理来看，甚至比“开关磁阻”的说法更准确—些，但也容易与电子换向的水磁直流电机相混淆。

特种电机及其控制课程设计(2024)

控制方式
直线电机的控制方式类似于旋转电 机，可以通过调节电流、电压或 PWM信号等实现对电机的速度、位 置和力的精确控制。
10
各自特性比较分析
01
02
03
永磁同步电机
高效率、高功率密度、宽 调速范围、高精度控制等 特性，适用于高性能伺服 系统等领域。
2024/1/28
开关磁阻电机
简单结构、低成本、高效 率、宽调速范围等特性， 适用于家用电器、工业驱 动等领域。
2024/1/28
27
THANK YOU
2024/1/28
28
直线电机
高精度定位、高速度、高 加速度等特性，适用于高 精度数控机床、激光切割 机等领域。
11
03
控制策略与方法探讨
2024/1/28
12
矢量控制策略
2024/1/28
矢量控制基本原理
01
通过坐标变换将交流电机等效为直流电机，实现解耦控制，提
高动态性能。
矢量控制实现方法
02
采用SVPWM、SPWM等调制技术，结合PI调节器、电流环、
特种电机是指具有特殊结构、特 殊工作原理和特殊应用领域的电 机，不同于常规电机。
特种电机分类
根据电机的结构、工作原理和应 用领域，特种电机可分为永磁电 机、开关磁阻电机、超声波电机 、直线电机等。
4
控制技术发展现状
2024/1/28
控制技术概述
控制技术是研究如何对动态系统进行控制和优化的技术， 是实现自动化、智能化和高效化的关键。
电机驱动与控制系统的集 成化
未来特种电机驱动与控制系统 将更加注重集成化设计，实现 更小的体积、更高的效率和更 好的可靠性。
人工智能在特种电机控制 中的应用

SRD开关磁阻电动机及其控制PPT幻灯片

31
反应式同步磁阻电机
定子为齿槽均匀分布的光滑(smooth)内腔 (internal cavity)，定子嵌(insert)有多相绕组， 近为正弦波分布（sine-wave distribution）。 励磁是一组多相平行的(parallel)正弦波电流。 各相自感（self-induction）随转子位置作正 弦波（sine-wave）变化，不随电流改变。
6）单位出力不小于异步电动机（asynchrsadvantages）： ▪ 有转矩脉动（ripple），影响了开关磁阻电动
机低速运行性能。 ▪ 开关磁阻电动机传动系统的噪声（noise）与
振动比一般电动机大。 ▪ SR电动机的出线头较多。
35
7.5 kW 、1500 r/min几种调速系统性能比较
17
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
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

电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统

电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统开关磁阻电机驱动（Switched Reluctance Motor Drive，简称SRD）系统是一种新型的开关磁阻电机调速系统，主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器等几部分组成。

开关磁阻电机驱动系统兼有交流调速系统和直流调速系统的优点，结构简单、坚固耐用、可控参数多、控制方式灵活、可得到多种机械特性，在宽广的调速范围内均具有很高的效率，因此在工业电气传动、自动化控制和航空航天等领域均有着十分广阔的应用前景。

1 开关磁阻电机控制系统的结构开关磁阻电机驱动系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和检测器等几部分组成。

开关磁阻电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件；功率变换器的作用是将电源提供的电能经适当转换后提供给开关磁阻电机。

控制器则是SRD系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号以及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，从而实现对电机运行状态的控制，使之满足预定的运行要求；检测器包括电流检测和位置检测两部分，其中电流检测用以实现系统的电流反馈，位置检测则是通过检测定、转子的相对位置，来确定对相应绕组的换相操作和计算转速。

2 电动汽车开关磁阻电机驱动控制系统1/ 42.1 系统硬件以及组成设计首先应将位置信号确定为频率信号，而将电流信号全部模拟成相应的电压信号，再经过A/D专业转换之后再进行输入；对于开停信号还有各种保护信号等都需要在对进行相应的外围电路处理之后，让它逐渐转变成为开关信号，然后经I/O口输入。

需要注意的是，在信号输出过程中，相触发信号又被称作开关信号，而其余各种指示信号又被称作开关信号，所以在实际的运作过程中，我们可以使用单片机的I/O来进行信号输出。

位置传感器中的信号输入电路能够将电动机位置上的传感器所发出的信号波形，经过相应的整形转换在输进专用的8751单片机之后进行有效实现：①利用传感器波形来对电动机转子位置进行有效确定，从而对电动机通电相序进行有效控制；②利用传感器波形来对电动机运行过程中的实际转速进行有效确定，从而进行有效的PID运算。

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特种电机及其控制
2.1.4 SRD特点
1)电动机结构简单、成本低、适用于高速, 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简 单的鼠笼式感应电动机还要简单。
2)功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向 与绕组电流方向无关，即只需单方向绕 组电流，故功率电路可以做到每相一个 功率开关。
特种电机及其控制
SRD特点：
特种电机及其控制
SRD特点：
7)效率高，损耗小 SRD系统是一种 非常高效的调速系统。
8)可通过机和电的统一协调设计满 足各种特殊使用要求 。
9)缺点：转矩脉动、振动、噪声 但 可通过特殊设计克服
特种电机及其控制
2.1.5 SRD发展概况
7.5 kW 、1500 r/min几种调速系统性能比较
特种电机及其控制
各种不确定性干扰的新型控制策略 智能控制策略
❖ SR电机的无位置传感器控制 ❖ SR电机的振动、噪声研究 ❖ 无轴承SR电机研究（磁悬浮） ❖ SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等
特种电机及其控制
2.2 SR电机基本方程与性能分析
+
R1
i1
u1
d1/dt
-
+
Rm t...1 im
um
dm/dt
dik dt
ik
Lk
q
dq
dt
电阻压降
变压器电动势
运动电动势 (转子位置改变)
特种电机及其控制
机械运动方程：
（SR:0.4IN,1.4TN IM:6-7IN,2-3TN）
特种电机及其控制
SRD特点：
5)适用于频繁起停及正反向转运行 SRD 系统具有的高起动转矩，低起动电流 的特点，使之在起动过程中电流冲击 小，电动机和控制器发热较连续额定 运行时还小。
6)可控参数多，调速性能好 控制开关磁 阻电动机的主要运行参数和常用方法 至少有四种:相开通角,相关断角, 相电 流幅值,相绕组电压。
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
结 论：
1、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方 向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机 的转向 2、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr 3、步距角 qb=tr/m=360/(mNr) 4、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。 5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普 通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制 器一同使用。
2.1 SRD传动系统 2.1.1 SRD传动系统的组成
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
特种电机及其控制
SR电动机定、转子实际结构
特种电机及其控制
SR电机结构与原理
结构特点：
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
特种电机及其控制
2.1.2 运行原理：磁阻最小原理
特种电机及其控制
外转子单相SR电动机
特种电机及其控制
利用永磁体辅助起动的单相SR电动机
PM
PM
特种电机及其控制
（（（12））34）24--p35p-hhpaahssaees4e8s61stt0asatstoatoratrotporporopllepoe/ol/2e6l/er4r/o8orttorortorotproporopllepoeolele
电机原理演示 特种电机及其控制
12/8 极三相开关磁阻电动机
特种电机及其控制
❖ 以不同的颜色表示磁场 强弱，蓝色磁场最弱， 绿色强
❖ 当某一相通电时，磁极 极尖处磁场强
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
特种电机及其控制
SR电动机常用的相数与极数组合
特种电机及其控制
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 10ห้องสมุดไป่ตู้12 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 低于三相的SRM 没有自起动能力
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
依次给A-B-C-D绕组通电，转 子逆励磁顺序方向连续旋转
3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从电 动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互 独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。 而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁 路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动 机才能正常运转。
4)高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧吸 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。
2.1.6 SRD的应用与研究动向
电动车
航空工业
应
家用电器
用
机械传动
精密伺服系统
特种电机及其控制
SRD的研究方向
❖ SR电机设计研究：
铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论
❖ SR电机的控制策略研究：
最优控制，减小转矩脉动、降低噪声 具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及
-
耦合磁场
K J
Te
TL
不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电 机系统示意图
J—转子与负载的转动惯量
D—粘性摩擦系数
TL—负载转矩
特种电机及其控制
电路方程
第k相绕组的相电压平衡方程:
特种电机及其控制
磁链方程
所以：
Uk
Rk ik
k ik
dik dt
k
q
dq
dt
Rkik
Lk
ik
Lk ik
特种电机及其控制
2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构
相数与级数关系
Ns 2km Nr Ns 2k)
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。
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。