开关磁阻电机控制技术课件讲解

学习情境十开关磁阻电机及其控制技术宝马有一款新的纯电动汽车使用的是一款开关磁阻电机，最近该电机出现了故障，需要你去对电机进行检查。请你总结一下开关磁阻电机的结构及其控制技术。学习情景描述学习目标1.了解开关磁阻电机的基本结构；2.掌握开关磁阻电机的工作原理；3.了解开关磁阻电机的控制技术；4.掌握开关磁阻电机的特点与应用。工作任务1.在教师的指导下，制订开关磁阻电机的检查计划；2.根据检查计划对纯电动汽车的开关磁阻电机进行检查。目标和任务资讯三开关磁阻电机的控制技术1.开关磁阻电机控制系统的结构组成开关磁阻电机控制系统主要由功率变换器、控制器、位置传感器等组成，如图10-6所示。功率变换器向开关磁阻电机提供运转所需的能量，由动力电池组或交流电整流后得到直流电供电，开关磁阻电机绕组电流是单向的。控制器综合处理指令、速度、电流和位置传感器的反馈信号，控制功率变换器的工作状态，实现对开关磁阻电机的状态控制。图10-6开关磁阻电机控制系统结构示意图资讯三开关磁阻电机的控制技术图10-7开关磁阻电机的功率变换器电路与直流驱动电机类似，为使噪声减到最小，开关磁阻电机的斩波电路频率应高于10kHz。为减少功率器件的数量，充分利用单极工作，有很多种功率变换器电路，但是减少功率器件会带来许多负面影响，如控制性能变差、可靠性降低、工作性能降低、需要额外的无源器件等。图10-7所示的功率变换器电路很适合电动汽车用开关磁阻电机。

2.开关磁阻电机的控制方式开关磁阻电机控制系统的可控参数主要有开通角、关断角、相电流幅值及相绕组端电压，对这些参数进行单独控制或组合控制就能得到不同的控制方法，常用的控制方式有角度控制（APC）、电流斩波控制（CCC）、电压控制（VC）和组合控制等。资讯三开关磁阻电机的控制技术1）角度控制（1）角度控制方式。角度控制方式是保持电压不变，通过对开通角和关断角进行控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置。在角度控制中，改变开通角则可以改变电流波形的宽度、电流波形的峰值和有效值大小以及电流波形与电感波形的相对位置，就会对输出转矩产生很大的影响。改变关断角一般不会影响电流峰值，但可以影响电流波形宽度以及与电感波形的相对位置，电流有效值也随之变化。具体实现过程中一般采用固定关断角、改变开通角的控制模式。资讯三开关磁阻电机的控制技术①转矩调节范围大。在角度控制下的电流占空比的变化范围几乎是0～100%。②同时导通相数可变。同时导通相数越多，电机输出转矩越大，转矩脉动也就越小。③电机效率高。通过角度优化能使电机在不同的负载下保持较高的效率。④不适用于低速运行。在角度控制中电流峰值主要由旋转电动势限制，当转速降低时，由于旋转电动势减小，容易使相电流峰值超过允许值。资讯三开关磁阻电机的控制技术（2）角度控制方式的特点。角度控制方式具有以下特点。022）电流斩波控制01（1）电流斩波控制方式。对于电流斩波控制，一般保持电机的开通角和关断角不变，而主要以控制斩波电流的上下幅值的手段，达到调节电机转矩和转速的目的。电流斩波控制有以下两种方式。②设定电流上限和关断时间恒定。此种方式与上一种控制方式的区别在于，当相电流大于电流斩波上限值时，就将功率器件关断一段固定的时间再开通，重新导通的触发条件不是电流的下限而是定时，在一个控制周期内关断时间恒定，但电流下降多少取决于绕组电感量、电感变化率、转速等因素，因此电流下限并不一致。①限制电流上、下幅值。限制电流上、下幅值，即在一个控制周期内，给定电流最大和最小值，使相电流与设定的上、下限制进行比较，当相电流大于设定最大值时则控制该相功率器件关断，而当相电流降低到设定最小值时功率器件重新开通，如此反复。①适用于低速和制动运行。电机在低速运行时，绕组中旋转电动势较小，电流上升速度大；在制动运行时，旋转电动势的方向与绕组端电压的方向相同，电流上升的速率比低速运行时更大。②电机输出转矩平稳。电流斩波控制时电流波形呈较宽的平顶状，因此电机输出的转矩也比较平稳，合成转矩的脉动明显比其他控制方式小。③用作调速系统时，抗负载扰动的动态响应慢。在电流斩波控制中，由于电流峰值被限制，当电机转速在负载扰动下出现突变时，电流峰值无法自适应，系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢。资讯三开关磁阻电机的控制技术（2）电流斩波控制的特点。电流斩波控制具有以下特点。3）电压控制（1）电压控制方式。电压控制是在某相绕组导通阶段，在主开关的控制信号中加入PWM信号，通过调节占空比来调节绕组端电压的大小，从而改变相电流值。具体方式是在固定开通角和关断角的情况下，用PWM信号来调制主开关器件相控信号，通过调节此PWM信号的占空比改变相绕组的平均电压，进而改变输出转矩。资讯三开关磁阻电机的控制技术②占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节PWM的占空比即可调节相电流最大值。③通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，因此该方式既能用于高速运行，又适合低速运行。④适用于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快。其缺点是转矩脉动较大，调速范围有限。资讯三开关磁阻电机的控制技术（2）电压控制方式的特点。电压控制具有以下特点。①可以控制斩波频率和占空比两个参数，可控性好。一般情况下斩波频率是固定的，选择适当的斩波频率，也就控制了相电流频率。024）组合控制01对于实际的开关磁阻电机的控制，可以根据不同的运行工况并结合上述控制方式的优缺点，选用几种控制方式的组合，使电机调速系统的性能更好。目前比较常用的组合控制方式有以下两种。（2）角度控制与电压PWM控制组合。通过电压PWM来调节电机的转速和转矩，通过调节功率器件触发角来解决相电流变化滞后的问题。在这种控制方式下，转速和转矩的调节范围大，高速和低速均有较好的电机控制特性，且不存在两种控制方式相互转换的问题。因此目前该组合控制方式已经得到了广泛应用。（1）角度控制与电流斩波控制组合。高速时采用角度控制方式，低速时采用电流斩波控制方式，这有利于发挥两者的优点。这种组合控制方式的缺点是对中速时的过渡不容易掌握。一般要求在升速时的转换点和在降速时的转换点之间有一定的回差，应使前者略高于后者且要避免电机在速度切换点频率转换。3.开关磁阻电机的功率变换器功率变换器是驱动系统的重要组成部分，直接影响着系统的成本和性能，其所起的主要作用有：连接电源与电机，为其正常运行提供电能，满足所需的机械能转换；开关作用，使绕组与电源接通或者断开；续流作用，为绕组储能的回馈提供路径。功率变换器的合理设计是提高开关磁阻电机调速系统性能的关键因素之一。资讯三开关磁阻电机的控制技术知识拓展5理想的功率变换器主电路结构应同时具备以下条件。（1）具有少而有效的主开关器件。（2）可以将全部电源电压加给电机绕组。（3）可以通过主开关器件调制，有效控制每相电流。（4）可以迅速增加相绕组电流。（5）在负半轴绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源资讯三开关磁阻电机的控制技术资讯三开关磁阻电机的控制技术1）双开关型功率变换器双开关型功率变换器电路每相有两个主开关器件及两个续流二极管，当两个主开关器件同时导通时，电源向电机绕组供电；同时断开时，相电流通过续流二极管续流，将电机绕组中磁场储能以电能形式迅速回馈给电源，实现强迫换相。如图10-8中的双开关型功率变换器电路，该电路尤其适用于电动汽车的开关磁阻电机的驱动。它利用两个功率器件来独立控制每相电流，利用两个续流二极管把存储的电磁能回馈给电动汽车电池充电。尽管在这种电路拓扑结构中，每相需要两个功率器件，成本要高于每相仅需一个功率器件的功率变换器，但其桥臂可以单独控制每相绕组而不受其他绕组运行的影响。图10-8双开关型功率变换器电路资讯三开关磁阻电机的控制技术2）双绕组型功率变换器双绕组型功率变换器电路中，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，匝数比为1∶1。当主开关导通时，电源对主绕组供电；当主开关关断时，靠磁耦合将主绕组的电流转移到副绕组，通过二极管续流，向电源迅速回馈电能，实现强迫换相。这种功率变换器电路适用于任意相数的开关磁阻电机，尤其适用于低压直流电源供电的场合。其基本电路如图10-9所示。图10-9双绕组型功率变换器电路资讯三开关磁阻电机的控制技术3）电容裂相型功率变换器电容裂相型功率变换器电路是指将整流输出的电压通过双电容裂相形成的电路，其电容同时还起到滤波、存储绕组回馈能量的作用。采用这种电路，可对电机的各相进行独立控制，每相只需要一个主开关器件和一个续流二极管。因而此功率变换器只适用于相数为偶数的开关磁阻电机。电容裂相型功率变换器电路如图10-10所示。图10-10电容裂相型功率变换器电路资讯三开关磁阻电机的控制技术4）H桥型功率变换器H桥型功率变换器电路可以看作电容裂相型功率变换器电路取消了电容器分压，并将各相绕组中点浮空而形成的电路。换相时磁能以电能形式一部分回馈给电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。H桥型功率变换器电路如图10-11所示。图10-11H桥型功率变换器电路资讯三开关磁阻电机的控制技术5）能量回收型功率变换器能量回收型功率变换器通常有谐振能量回收、阻尼能量回收及斩波能量回收几种形式。图10-12所示为斩波能量回收型功率变换器电路。当主电路开关开通时，绕组通电建立磁链；当其关断时，续流二极管将绕组电流续流，从而使绕组中的磁能以电能的形式存储于电容器上，并回馈给电源。图10-12斩波能量回收型功率变换器电路资讯三开关磁阻电机的控制技术