開關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)課件講解

學(xué)習(xí)情境十開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制技術(shù)寶馬有一款新的純電動(dòng)汽車使用的是一款開關(guān)磁阻電機(jī)，最近該電機(jī)出現(xiàn)了故障，需要你去對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢查。請(qǐng)你總結(jié)一下開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)。學(xué)習(xí)情景描述學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)；2.掌握開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理；3.了解開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)；4.掌握開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用。工作任務(wù)1.在教師的指導(dǎo)下，制訂開關(guān)磁阻電機(jī)的檢查計(jì)劃；2.根據(jù)檢查計(jì)劃對(duì)純電動(dòng)汽車的開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行檢查。目標(biāo)和任務(wù)資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)1.開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)主要由功率變換器、控制器、位置傳感器等組成，如圖10-6所示。功率變換器向開關(guān)磁阻電機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，由動(dòng)力電池組或交流電整流后得到直流電供電，開關(guān)磁阻電機(jī)繞組電流是單向的。控制器綜合處理指令、速度、電流和位置傳感器的反饋信號(hào)，控制功率變換器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的狀態(tài)控制。圖10-6開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)圖10-7開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器電路與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)類似，為使噪聲減到最小，開關(guān)磁阻電機(jī)的斬波電路頻率應(yīng)高于10kHz。為減少功率器件的數(shù)量，充分利用單極工作，有很多種功率變換器電路，但是減少功率器件會(huì)帶來(lái)許多負(fù)面影響，如控制性能變差、可靠性降低、工作性能降低、需要額外的無(wú)源器件等。圖10-7所示的功率變換器電路很適合電動(dòng)汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)。

2.開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方式開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的可控參數(shù)主要有開通角、關(guān)斷角、相電流幅值及相繞組端電壓，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)控制或組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）、電流斬波控制（CCC）、電壓控制（VC）和組合控制等。資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)1）角度控制（1）角度控制方式。角度控制方式是保持電壓不變，通過(guò)對(duì)開通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制來(lái)改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對(duì)位置。在角度控制中，改變開通角則可以改變電流波形的寬度、電流波形的峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對(duì)位置，就會(huì)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生很大的影響。改變關(guān)斷角一般不會(huì)影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感波形的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中一般采用固定關(guān)斷角、改變開通角的控制模式。資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)①轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍大。在角度控制下的電流占空比的變化范圍幾乎是0～100%。②同時(shí)導(dǎo)通相數(shù)可變。同時(shí)導(dǎo)通相數(shù)越多，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也就越小。③電機(jī)效率高。通過(guò)角度優(yōu)化能使電機(jī)在不同的負(fù)載下保持較高的效率。④不適用于低速運(yùn)行。在角度控制中電流峰值主要由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)限制，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)減小，容易使相電流峰值超過(guò)允許值。資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)（2）角度控制方式的特點(diǎn)。角度控制方式具有以下特點(diǎn)。022）電流斬波控制01（1）電流斬波控制方式。對(duì)于電流斬波控制，一般保持電機(jī)的開通角和關(guān)斷角不變，而主要以控制斬波電流的上下幅值的手段，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。電流斬波控制有以下兩種方式。②設(shè)定電流上限和關(guān)斷時(shí)間恒定。此種方式與上一種控制方式的區(qū)別在于，當(dāng)相電流大于電流斬波上限值時(shí)，就將功率器件關(guān)斷一段固定的時(shí)間再開通，重新導(dǎo)通的觸發(fā)條件不是電流的下限而是定時(shí)，在一個(gè)控制周期內(nèi)關(guān)斷時(shí)間恒定，但電流下降多少取決于繞組電感量、電感變化率、轉(zhuǎn)速等因素，因此電流下限并不一致。①限制電流上、下幅值。限制電流上、下幅值，即在一個(gè)控制周期內(nèi)，給定電流最大和最小值，使相電流與設(shè)定的上、下限制進(jìn)行比較，當(dāng)相電流大于設(shè)定最大值時(shí)則控制該相功率器件關(guān)斷，而當(dāng)相電流降低到設(shè)定最小值時(shí)功率器件重新開通，如此反復(fù)。①適用于低速和制動(dòng)運(yùn)行。電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，繞組中旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小，電流上升速度大；在制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的方向與繞組端電壓的方向相同，電流上升的速率比低速運(yùn)行時(shí)更大。②電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。電流斬波控制時(shí)電流波形呈較寬的平頂狀，因此電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，合成轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)明顯比其他控制方式小。③用作調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。在電流斬波控制中，由于電流峰值被限制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載擾動(dòng)下出現(xiàn)突變時(shí)，電流峰值無(wú)法自適應(yīng)，系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)十分緩慢。資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)（2）電流斬波控制的特點(diǎn)。電流斬波控制具有以下特點(diǎn)。3）電壓控制（1）電壓控制方式。電壓控制是在某相繞組導(dǎo)通階段，在主開關(guān)的控制信號(hào)中加入PWM信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)繞組端電壓的大小，從而改變相電流值。具體方式是在固定開通角和關(guān)斷角的情況下，用PWM信號(hào)來(lái)調(diào)制主開關(guān)器件相控信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)此PWM信號(hào)的占空比改變相繞組的平均電壓，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)②占空比與相電流最大值之間有較好的線性關(guān)系，調(diào)節(jié)PWM的占空比即可調(diào)節(jié)相電流最大值。③通過(guò)PWM方式調(diào)節(jié)繞組電壓平均值，間接調(diào)節(jié)和限制過(guò)大的繞組電流，因此該方式既能用于高速運(yùn)行，又適合低速運(yùn)行。④適用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)（2）電壓控制方式的特點(diǎn)。電壓控制具有以下特點(diǎn)。①可以控制斬波頻率和占空比兩個(gè)參數(shù)，可控性好。一般情況下斬波頻率是固定的，選擇適當(dāng)?shù)臄夭l率，也就控制了相電流頻率。024）組合控制01對(duì)于實(shí)際的開關(guān)磁阻電機(jī)的控制，可以根據(jù)不同的運(yùn)行工況并結(jié)合上述控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選用幾種控制方式的組合，使電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能更好。目前比較常用的組合控制方式有以下兩種。（2）角度控制與電壓PWM控制組合。通過(guò)電壓PWM來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)調(diào)節(jié)功率器件觸發(fā)角來(lái)解決相電流變化滯后的問(wèn)題。在這種控制方式下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)范圍大，高速和低速均有較好的電機(jī)控制特性，且不存在兩種控制方式相互轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。因此目前該組合控制方式已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。（1）角度控制與電流斬波控制組合。高速時(shí)采用角度控制方式，低速時(shí)采用電流斬波控制方式，這有利于發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)。這種組合控制方式的缺點(diǎn)是對(duì)中速時(shí)的過(guò)渡不容易掌握。一般要求在升速時(shí)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)和在降速時(shí)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)之間有一定的回差，應(yīng)使前者略高于后者且要避免電機(jī)在速度切換點(diǎn)頻率轉(zhuǎn)換。3.開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器功率變換器是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響著系統(tǒng)的成本和性能，其所起的主要作用有：連接電源與電機(jī)，為其正常運(yùn)行提供電能，滿足所需的機(jī)械能轉(zhuǎn)換；開關(guān)作用，使繞組與電源接通或者斷開；續(xù)流作用，為繞組儲(chǔ)能的回饋提供路徑。功率變換器的合理設(shè)計(jì)是提高開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)知識(shí)拓展5理想的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)具備以下條件。（1）具有少而有效的主開關(guān)器件。（2）可以將全部電源電壓加給電機(jī)繞組。（3）可以通過(guò)主開關(guān)器件調(diào)制，有效控制每相電流。（4）可以迅速增加相繞組電流。（5）在負(fù)半軸繞組磁鏈減少的同時(shí)，能將能量回饋給電源資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)1）雙開關(guān)型功率變換器雙開關(guān)型功率變換器電路每相有兩個(gè)主開關(guān)器件及兩個(gè)續(xù)流二極管，當(dāng)兩個(gè)主開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源向電機(jī)繞組供電；同時(shí)斷開時(shí)，相電流通過(guò)續(xù)流二極管續(xù)流，將電機(jī)繞組中磁場(chǎng)儲(chǔ)能以電能形式迅速回饋給電源，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。如圖10-8中的雙開關(guān)型功率變換器電路，該電路尤其適用于電動(dòng)汽車的開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。它利用兩個(gè)功率器件來(lái)獨(dú)立控制每相電流，利用兩個(gè)續(xù)流二極管把存儲(chǔ)的電磁能回饋給電動(dòng)汽車電池充電。盡管在這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每相需要兩個(gè)功率器件，成本要高于每相僅需一個(gè)功率器件的功率變換器，但其橋臂可以單獨(dú)控制每相繞組而不受其他繞組運(yùn)行的影響。圖10-8雙開關(guān)型功率變換器電路資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)2）雙繞組型功率變換器雙繞組型功率變換器電路中，每相有主、副兩個(gè)繞組，主、副繞組雙線并繞，同名端反接，匝數(shù)比為1∶1。當(dāng)主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電源對(duì)主繞組供電；當(dāng)主開關(guān)關(guān)斷時(shí)，靠磁耦合將主繞組的電流轉(zhuǎn)移到副繞組，通過(guò)二極管續(xù)流，向電源迅速回饋電能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。這種功率變換器電路適用于任意相數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)，尤其適用于低壓直流電源供電的場(chǎng)合。其基本電路如圖10-9所示。圖10-9雙繞組型功率變換器電路資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)3）電容裂相型功率變換器電容裂相型功率變換器電路是指將整流輸出的電壓通過(guò)雙電容裂相形成的電路，其電容同時(shí)還起到濾波、存儲(chǔ)繞組回饋能量的作用。采用這種電路，可對(duì)電機(jī)的各相進(jìn)行獨(dú)立控制，每相只需要一個(gè)主開關(guān)器件和一個(gè)續(xù)流二極管。因而此功率變換器只適用于相數(shù)為偶數(shù)的開關(guān)磁阻電機(jī)。電容裂相型功率變換器電路如圖10-10所示。圖10-10電容裂相型功率變換器電路資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)4）H橋型功率變換器H橋型功率變換器電路可以看作電容裂相型功率變換器電路取消了電容器分壓，并將各相繞組中點(diǎn)浮空而形成的電路。換相時(shí)磁能以電能形式一部分回饋給電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點(diǎn)電位的較大浮動(dòng)。H橋型功率變換器電路如圖10-11所示。圖10-11H橋型功率變換器電路資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)5）能量回收型功率變換器能量回收型功率變換器通常有諧振能量回收、阻尼能量回收及斬波能量回收幾種形式。圖10-12所示為斬波能量回收型功率變換器電路。當(dāng)主電路開關(guān)開通時(shí)，繞組通電建立磁鏈；當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管將繞組電流續(xù)流，從而使繞組中的磁能以電能的形式存儲(chǔ)于電容器上，并回饋給電源。圖10-12斬波能量回收型功率變換器電路資訊三開關(guān)磁阻電機(jī)的控制技術(shù)