大功率开关磁阻电机调速系统的研究与设计.pdf

第 1 9卷第 5 期 l 9 9 8年 9月 江苏理工大学学报 J o u r n a l o ／J i a n g s u Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o [ o g y V0I ．1 9 No 5 Se p． 1 9 98 6 7 V 大 功 率 开 关 磁 阻 电 机 调速系统的研究 与设计 张健 摘要介 绍一 种功 率较 大 、 自栽 强度 变化 的开 关磁 阻 电机调 速 系统 ， 论 述 了电 机主 电路 的结 构 和计 算机 的接 口与控 制 ， 给 出功 率 变换 器、 GT O 驱 动 电路 和控 制 系 统 的硬件 电路 聂 卖验 结果． 关键 词磁 阻电 动机 中图分类号TM3 5 2 功率 变换 器 控 制装置译 码 电路 座 毛 开关磁阻电机 Th e S wi t c h e d R e l u c t a n c e Mo t o r简称 S R M 是一种新型的电机调速系统， 它具有调速性 能好、 效率高、 结构简单 、 成本低的特点．随着功率电子器件的发展 ， 这种电机受 到 国 内外 的 广 泛 关 注 ， 越来 越 成 为 当代 电力传 动 的 热 门课 题之 一 ． 目前 国 内 已成 功 研 制 出 3 O k W 以下 的系列 产 品 ， 在矿 山机 械 、 化工 、 纺 织 机械 、 机 器 人和 办公 自动 化领 域 中得 到 应 用． 但 由于 主 电路 的结 构 、 开 关器 件 和控 制器 件的 原 因 ， 较 大 功率 、 过载强 、 负荷 变 化大 的 S R M 调 速 系统 尚 未完全 成熟 ， 在很 多方 面还 需 要进行 深 入的研 究． 本文介绍的 7 5 k w S R M 计算机控制调速系统调速范围宽、 载荷变化大 、 能应用于条件恶 劣的场台．所提出的由 GT O组成的功率主电路 以及基奉的控制电路与调速方法均能很好地 适应 以上 特点 ， 具 有较 高 的可靠 性 、 很 强 的过载 能 力 和优 良的动 静态 性 能 对 发展 大 功 率 的开 关磁阻电机调速系统和提高它的控制性均具有十分重要的实用价值和理论意义- 1 功率变换 主 电路的设计 1 ． 1 主电 路设计 与 工作 原理 根据 7 5 k W S R M 的特 点 ， 选用三 相 s ／ 4 结 构 电机 ， S RM 功 率变换 器 ． 如 图 l所示． 功率变换 电路 由三相交流全渡整流电路和 GT O 组成的功率变换器所构成， 功率变换器 由 4个 开关 管 、 4个续 流二 极 管和 相应 的 开关 管 吸收保 护 电路组 成． 、 、 k 、 为 S RM 的三 相绕 组． 可以看 出 ． 每 相 只用 了一 只开 关管 ， 但却 具备 常规不 对称 半桥 结 构的 多数 优点 ， 关 键在 于 加了一只与各相相 串联的主 开关 管 V ．V 、 V 和 V 为相开关管 ， VD为主续流二扳管 ， Vr 、 vr 和 VD 。 均 为相 续 流二 极 管． S RM调 速 系 统恒 转 矩输 出时 ， 对 主开 关 管v 进 行 收穑 日期 l 9 9 8 0 1 0 3 怅 髓 孙 坤 蓐理 1 毕 l 乜 L 系 I H 2 1 2 0 1 3 维普资讯 第 5 期 张 健 等 大功率开关磁阻电机硎建 系统的研究 与设计 6 7 P WM 控制 ， 对 V 、 V 和 V 进行 各 相的导 通控制 ； 恒 功率输 出时 ， 固定 P WM 波 的周期 和 占空 比 分别 控 制相 开关 管 V 、 V 和 V 的 开通角 ⋯ 进 行 角度 位置控 制 ． 『 j k W 升 关 鞋 阻 电 机 功 率 坐换 暑 } 当 主开关 管 V 与相 开 关管 V 相 开关 管 V 和 V 类 同 同时 导通 时 ， 电源 电压 加到 电 机 相 绕 组 L 的 两 端 ． 相 绕组 通 过 电流 ； 当 V 导 通 而 V 关 断 时 ， A 相 电 流将 由续 流 二 极 管 VD 续 流 ， 并流 向 电源 ． 相电流 逐渐 减小 ； 当 V 关 断 而 V 导通 时 ， 相 电流 由相 开 关管 V 和 主 续流 二极 管 VD 组成 的 回路 续 流； 当 V 和 V 同时 关断 时 ， 由 VD、 VD 和 C组 成续 流 回路 ， 贮 存在 绕组 电感 中的磁能 回馈给 电源 ． 这时 的电压加 至相 绕组 两端 ， 加 速续 流 电 流的 衰减 ， 使 得 电机在 较 高运行 时 避免 生成 较大 的制动 转矩． 1 ． 2 器件的选取与参数估算 目 前 可 用 于 主 开 关 器 件 的有 普 通 晶 闸管 S C R 、 可 关 断 晶 闸 管 G TO 、 功 率 晶 体 管 GTR 、 功 率场 效 应管 MOS F E T 、 绝 缘栅 双极 型晶 体 管 I GB T 等． S C R无 自关 断能 力 ， 实 现 电路较 为 复杂 ， 目前 较少使 用．GTR和 MOS F E T 一般 用于 小 功率 电机 ， 而 功 率较 大 、 速 度较 快 的电机 常采用 ； T0 对速度 要求 很 高的 电机一 般采 用 I GB T． 7 5 k W S R 电机要 求在 恶劣 的 使 用环 境 下 具有高 可靠 性 ． 过载 能 力强 ， 在 这方 面 I GB T 不及 GT O， 故选 用 GT O 作 为 主电 路 开 关管． 它 具有 耐 高压 、 电流 大 、 过 载能 力强 、 工作频 率较 高 ， 且有 自关 断 的优 点 ， 可靠 性好 ， 能 在 条件较 为 恶 劣的场 台 工作． 为 了具有 较 好保 护 和可控 性能 ， 要求 续流 二极 管 具有 快 速导 通和 关断 的能 力 ， 所 以选用 响 应 速度 快 的快速 恢 复二 扳管作 为 主电路续 流二 极 管．三 相全 渡 整流桥 中的整 流二 极管 选用 耐 压 和 电流符 台要 求 的普通 整流 管． 开关 管 的耐压 U 应 大 于 电源 电压 U 的 两倍 雨 续 流二 极 管 的耐压 Uv n 与 滤波 电容 C 的 o 0 A 耐 压 【 均 大 于 电源 电 压 u ， 三 相全 渡 整流桥 输 出 虽大 直 流 电压 3 8 0 5 1 3 ． 4 V， 3 所 以U l 0 2 6 ． 8 V， f ， v n f 凡j l 3 ． 4 V． 根 据器 件 的规格 ， 选择 开 关管 额定 电压 为 l 2 0 0 V 续 流二 扳管 与滤波 电容 C 的额 定 电压 为 8 0 0 V． S RM 额定 电流 为 N ， 则开 关管 有效 值 电流定 额 ， v 1 ． 2 ～1 ． 5 ．该 电 机设 计的 额定 电 压 为 4 5 0 V， 额定 电流 为 1 5 l A， 故 选 择 主开 关管 凡 为 3 0 0 A 相 开 关管 额 定 电 流值 为 主开 关 管 的 1 ／ 3 ． 取 1 2 0 A．主续 流 二扳管 电流 额 定值 为 3 0 0 A．相续 流二极 管 电流 额定 值为 l 2 O A． 维普资讯 江苏理工大学学报 1 9 9 8年 9月 滤波 电容 C 与负 载等 效 电 阻 R 的 乘积 时 间 常数 应远 大 于三 相全 波 整 流输 出 电压 的脉 动周 期 Tp T p 一1 ／ 6 5 0 一3 ． 3 In S ， 即 R『 ≥ 3 ～5 J 7 1 P ， 取 C4 7 1 P ／ 『 ， 负载 等效 电阻 R f 约 为 2 n， 则 f t 0 0 0 3 3 1 0 f , ／ R『 一 6 60 0 F 根 据 参 数 估 算 ， 主 开 关 管 选 用 日立 GF T 型 3 O 0 B ／ 1 2 GT O， 相 开 关 管 选用 日立 GF T 型 1 2 0 B／1 2 GTO， 主 续 流二 极 管选 用快 恢 复 管 【 德 DES I型 3 0 0 A／ 8 0 0 V， 相 续 流二 极 管选 用 快 恢 复管 德 DES I型 1 2 0 A／ 8 0 0 V， 滤 波 电容 为 HCGF型 6 6 0 0 F ／ 8 0 0 V， 三 相 整 流 桥 MDS 型 3 0 0 A／ 1 2 0 0V． 1 ， 3 G T O 基 极驱 动 电路的 设计 GT O 过 载能 力强 ， 可靠性 高 ， 耐压 高 ， 电 流大 ， 是一个 理 想 的开 关器件 ， 但 其 关 断时需 要 基极抽 出较 多 的 电荷 ， 关断 脉 冲幅值大 ， 驱动 电路 也较 为复杂 ， 故需 专 门设 计 见图 2 ． 该 驱 动 电 路采 用 了连 续 脉 冲触 发 方 式 ， 由反 向快 速 恢 复二 极 管 隔离 ， 前 沿腱 ； 利用 高频变 压器 小磁 芯 的饱 和 ， 叉使 脉 冲后 沿平 缓． 困中 x 端为 导通 信号输 入 端 ， 输入 脉 冲信 号 ， 触发 GT O； Y 端 为关 断信 号输 入端 ， 输 入脉 冲信号 ， 可 以有效 关断 GT ． 在 x 端输 入 正 脉 冲 ， 使三 极管 _r 导通 ， 而三 极管 T 截止 ， 脉 冲 变压 器 N 产 生 脉 冲 ． 快 速 恢 复二极 管 D 导 通 ， 结 果将 在 GTO 基极 上加 一 正 脉 冲， 使 G TO 导通 ．x端 正 脉 冲消 失 ， 脉 冲变压 器 原 绕 组 产生 感 应 电 势 ， 通 过 电 阻 和 二 极 管 羼 2 G T O基极驱动电路 D 放电 ， 因 D 的存 在 ， 使 GT 导通 脉 冲不 会 出现 负尖端 电流 ， 而消 除 GT O 结 电容 放 电效 应 ． 在 Y 端加 正脉 冲， 原理 类 同 x端 加 正 脉 冲 ， 作 用 是 在 G TO 基极 上 产 生 负 脉 冲 ， 使 GT O 有 效关 断． 合 理选 择 驱动 电路 电源 电压和 铁 E 截 面与 匹数 比 ， 使 铁芯迅 速 进入饱 和 ， 可使输 出脉 冲前 沿 捷而 后沿 平 缓．电 阻 R 不宜 取大 ， 要保 证 GTO 关断脉 冲幅值 不能 过小 ， 电容 C作 用是在 x 端输 出正 向脉 冲时 充 电 ， 在 Y 端输 入 脉 冲 产生 GT O 基极 负脉 冲 时放 电 ， 加 大 基 极 负 电流 ， 使 GT O 快 速 关断 电阻 R用来 降 低 GT O 基极 、 阴极 问阻 抗 ， 但不宜 过 小 ， 否 则会 影 响触 发脉 冲 波形 ． 由于 GT 关断时对两端第 一个出现的尖峰电压 比较敏感， 当此电压过高时 ， 因关断的瞬 间功率 很大 ， 会 使 GT O 损 坏 故要 在 GTO两 端 并联 RC D 吸 收保护 电路 见图 1 ， 以降 低第 一 个尖 峰 电压． 维普资讯 第 5期 张健等 大功 率升关磁阻电机 建系统的研究 与设 计 2 调速控制 电路 的设计 2 ． 1 系统基 本控 制原 理 S RM 调速 系 统主 要 由 S R 电机 、 功率 变换 器、 控 制器 和 位 置检 测 器等 组成 ， 基本 原理 框 图 如 图 3所 示 ． 罔 3 圩美 磁阻电机调遣系统基本框膊 S R M 电机在 获得 最大 电磁 功率 的基 速 以下运 行 时 ， 采 用 P WM 控 制方 法 ． 实 现恒 转 矩 调速 ； 基速 以 上采用 角度 位 置控制 An g u l a r P o s i t i o n C o n t r o 1 ， 达 到恒 功率 调 速 系统采 用 模糊 P I控 制器 ， 速 度给 定 与实 测 速 度 相 比较 后 ， 偏 差 输 人模 糊 P I调节 器 ． 经 过 运算 ， 输 出控 制信 号 控 制调节 P WM 占空 比 ， 实 现 电 机电压 P WM 控 制 和 角度 位 置控 制 ． 达 到 调速 目的．逻 辑译 码 进行 拍制 的转 换 ． 以得 到适 当的 开关触 发控 制信号 ．当主 电路 开 关管 电流 过大 时 ， 过 电流 保护 电路 产 生控 制信 号 ． 关断 开关管实 行 保护 ． 2 ． 2位置 检测 和译 码 电路 三相 S RM 电 机可工 作 于两 种状 态 三相 六拍 状 态和 三 相三拍 状 态 图 一t a 、 b分 别 为 两种 状态 下的相 电流渡 形．网 4 a中单 、 双相绕 组重 叠导 通 ， 图 扎 中三 相绕组 轮 流导 通 ， 而 不发 生重 叠．该 项 目中笔者 选取 三 相三拍 的运 行状 态．S R M 电机 采用 3个 光 电传感 器 检测 转 子位 置信 号 ， 相邻传 感 器 间 隔 3 0 。 ， 把 它 固定在 电 机机 壳 上， 转 子转 动时 ． 传 感 器输 出三个 位 置 基本 信 号 P、 Q， R， 经过 放 大整形 ， 其 渡形 与网 4 a中的 三相六 拍 电流波 相同 一 为 了实现 单 三相 三拍 运 行控 口 I- r ／ 3 “ - 4 [ I -w ] 3 - - 4 ]且 L _ _ E 于 a 相 卉 拍 状 态 h 相 i拍 状 态 用 1 两 种状 态下的栩电滤波形 维普资讯 7 0 江苏理工大学学报 I 9 9 8年 9月 制， 要用一个逻辑译码 电路 ， 转换成三相三拍状态 ， 来作为相开关管的触发控制信号． 逻辑译码 电路 见 图 5 ． r 广 I l P l 4073 廿 石 1 ．． r 一 产l 4 0 7 3 Rl ， ， ， 【 r r o l 4 0 73 L _ l ⋯ Ll二 7r l {o 69 【 川 4 07 3 ⋯ L L 二 广 一 再l 4 0 7 3 Rl ， ／ 々 咽 I．．一 7r 一 0l 4073 l ⋯ L ，二 吲 5逻 辑 j 荸峭 电 路 图 中 P、 Q、 R 三 相六 拍 状态位 置基 本 信号 经过 变换 ， 成为 三相 三拍 状 态位 置 控 制信 号 ， 信 号 高 电平 T／ 3周 期 宽 ， 转 换依 据逻 辑公 式 P 一 Pi 尺亍 Q 一 Q尺丁 十 P T f 1 一 PRT Q 于 式 中 了 1 为正反 转控 制信号 T一1 ， 电机 正转 ； 丁D ， 电机 反 转． P 、 Q 、 只 信号 可作 为三相 开 关管 的触 发 导通 信 号 ， 其上 升 沿分 别 作 为 A、 B、 C相 绕 组 导通 正 转 的基 准 点 ， 每 相 导通 1 ／ 3 周期 信号下降沿作为关断基准点． 7 1 信号控制正反转 ， 由单片机软件控 制输出． 三个位置控制 信号经过倍频电路实现角度细分 本文从略 ， 精密调整开通角 实现 AP C方式控制． 2 3 计算机硬件接口方法 7 5 k W S RM 调速 系 统采 用 l n t e l 8 0 C1 9 6 KB单 片机 为控 制核 心 ， 实 现 P WM 控 制 和 角度 位 置 控制 所组 成 的结构 框 网如 网 6所示． 网 6中速度 给 定 由一 多 圈 电位器 经 电源分 压后 接 至 单 片机 的一 路 带 有采 样 保持 的 1 0位 A／ D转 换 输入 口 AC H ／ P “ 一 ． 电流检 测 信号 从霍 尔 电 流传 感 器 中获得 ， 放 大 后 接 至单 片 机 A／ D转 换 口 AC HJP 低 速 运行时 实现 过流保 护．位 置检测 信号 经 译码 电路 后倍 频 ， 作 为速度 反 馈信 号输 入高 速输 入 口 HS I ． 1 经 单片 机处 理后 与速度 给定 作 比较 ， 进 行 模糊 P I 控制 ．数 字 电 维普资讯 第 5期 张 健等 大功 率开关磁 阻电机调速系统的研究与设计 7 l 压表 显示 速度 信息 ； 高速输 出 口 HS ． 0输 出 P WM 控 制信 号控 制 主开关 管 V ， 实现 P W M 诃 压诃速 高 速输 出 口 H S O． 1 ～HS O． 3控制相 开 关管 V 、 V 和 V ， 分别 改 变各 相 的开通 角 ， 实 现角 度位 置 控制 ．高速 输 出 口 HS O． d输出过 流控 制信号 ， 对 开 关管进 行 过 流保 护 ． 输 出 口 HS O 5输 出 S R M 电机 正反 转控 制信 号 T， 寓现 电机的 正 、 反 转控 制． _户 一 ⋯ ACH ． HS O O T ／ H S O d 产 1 l 一 -- 4 G T Y V 基 垭 驱 动 过 疽 信 号 }fs 1 一 ] H S I I 翻一 G T O V ， 基 垭 期 曲 H 2 0 一 一 -- 4 G T O V 基 撮 驱 动 Hs 0 3 廿 一 G T O V 基 撮 疆 动 R 电 巍 植 树 电 路J A C H s ／ P a _ Z J 译 码电 龉 3 样机 实验 结果 同 S RM 控 制 器 原 理 电 路 图 笔 者对一 台 3 k W S RM 电机进 行样 机实 验 ， 分 别得 到在 电源 电压 为 1 6 2 V 、2 4 0 V 下 的 系 统开 环机 械特 性 ， 如 图 7所示 -图中标 出 了系统效 率值 ．在 额定矩 值上 系统 效率 高达 8 5 分 析图 中两 条曲 线 在 不 同电 源 电压下 ， 相 同转矩 值所 对应 的转速 不 同 ， 系统效 率也 随 电压而 变 ， 电源 电压 越高 ， 转 速越 高 ， 系 统 效率 越大 ．图 8为样 机 运 行 的动 态 性能 实 测 曲线 ， 图 中可 以看 出 ， 系统 响 应速度 较 快 ， 加 、 减速 至 额定转 速 时间较 少 ， 动态性 能较 为 优异． 一 2 1 1 毒1 水 时 间 ， ／ 蝌 7 3 k W S R M 系统』 I 环特性 曲战 时 间 ￡ ／ s a加 遘 特 性 时 间 ， s b减 速 特 性 J 雩 j H_k W S RM 系统 动态性能 曲线 维普资讯 7 2 江苏理工大学学报 l 9 9 8年 9月 4 结 束 语 本文 阐述 了 7 5 k w S RM 功 率变 换 器的 设计方 法 ， 研究 了 GT O 的 开 关磁 阻电 机的 驱动 电 路 ， 对推 动 S RM 大 功 率 系统 的研 究 与发展 ， 起 到 了一定的 积 极作用 ． 同时本 文 介 绍 了控 制 器 逻 辑译 码 电路 ， 能够 方便 地 实现 三相六 拍位 置基 本 信号到 三 相三拍 位 置控 制 信号 的转换 ． 系统 中功率 变换 电路 、 计算 机接 口电路 和恒转 矩 、 恒 功率的 控 制方 法简 单可靠 ， 整 体性 高 ， 将要 运用 于振 动挖 土机 中 ， 具有 很好 的实用 推广 价值 ． 参考文献 刘迪吉 等 ．开关 磁阻词速 电动机北京 机 械工 业出版杜 、 】 9 9 4 ． 宋国铁 ， 蔡淮 开关 磁阻电机 的单片机控 制 ．电气 自动化 ． 1 9 9 4 2 】 4 ～6 何熙 文 、 撩承探 、 孙翱 ． I n t e l 8 X C1 9 6 MC ／ MD 高档 单片机原理 及实 用设计 ．大连 大 连 理工大学 出 短 社 ． 1 9 9 5 Re i n e r t e t a 1 ．Di g i t a l C on C r o l a n d Op t i m i z n d o n o f a Ro i l i n g Ro t or S wi t c h e d Re l u c t a n c e M a c h i n e I EEE Tr a n s a c t i o n o n I n d u s t r y Ap p l i c a t i o n s 、1 9 9 5， 3 1 2 3 3 8 ～ 3 4 3 St ud y o n t h e H i gh Po we r Swi t c h e d Re l u c t a n c e M o t o r Z h a n g J i a n Su n Yu k u n Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a s wi t c h e d r e l u c t a n c e mo t o r wi t h l a r g e p o we r a n d 1 o a d f l u c t u a t i o n a n d d i s c u s s e s t h e s t r u c t u r e o f S RM ma i n p o we r c i r c u i t ，i n t e r f a c e a n d c o n t r o l o f c o mpu t e r ．Th e p o we r c o n v e r t o r s ，GTO d r i v e c i r c u i t a n d h a r d wa r e c i r c u i t o f c o n t r o l s y s t e m a r e p r e s e n t e d a n d t h e e x p e r i me n t r e s u l t s a r e g i v e n ． Ke y wo r d s r e l u c t a n c e dr i v e；po we r e o n ve r t o r s；c o nt r o l d e v i c e s；d e c od i ng c j r - C Ui t s 维普资讯