本科毕业（设计）论文
即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。所以当铁芯与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁芯拉到磁场的轴线上来，这个作用力就是磁阻电机运行的动力。这是SR电机与步进电机的相似之处，但是，一般步进电动机是开环控制，而SR电机则是闭环控制；另外一般步进电动机是用在角位移较精密的传动方面上，而SR电机是典型的功率型电气传动装置，主要应用在牵引传动方面。因此，SR电机要突出速度控制和实现高效率，所以其结构和控制系统设计思路也大不相同。如图所示为四相8/6极SR电动机结构原理图(图中只简要画出A相绕组及其供电
′DB′1′C321D′A2′3′C′S1VD1USBVD2S2
图1-1 四相8/6极SR电动机结构
电路。
现以图中四相8/6极SR电机结构所示为例，介绍开关磁阻电动机的工作原理。图中，S1﹑S2是电子开关，VD1﹑VD2是二极管，US是直流电源。电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，且带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，维持电动机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。
图1-1中，当定子D-D′极励磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1-1′与定子极轴线D-D′重合的位置，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给D→A→B→C相绕组通电，转子即会以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B→A→D→C相通电，
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开关磁阻电机调速系统研究及MATLAB仿真
则电机即会沿着顺时针方向旋转。可以看出，SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，从图1-1可以看出，当主开关器件S1﹑S2导通时，A相绕组从直流电源US吸收电能，而当S1﹑S2关断时，绕组电流经续流二极管VD1﹑VD2继续流通，并回馈给电源US，因此，SR电机传
转子极矩?LmaxLmin?0?1?2?3?4a)?T?0?1?2?3?4?b)图1-2 相电感、转矩随转子位置的变化图
a)相电感随转子位置的变化b)一定电流下转矩随转子位置的变化
动的共性特点是具有能量再生作用，系统效率高。
从上面简单的分析可以知道，SR电动机的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势来产生的。由于电动机磁路的非线性，通常SR电动机的转矩应根据磁共能来计算，即：
T(?,i)??W?(?,i) （1-1）??式中T——转矩，W——磁共能，?——转子位置角，i——绕组电流
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显然，磁共能W'(?,i)的改变不仅取决于转子的位置，还取决于绕组电流的大小。在对SR电动机性能作定性分析时，为避免繁琐的数学推导，不妨忽略磁路饱和及边缘效应，并假定电感同电流无关。这时，一对定子极下电感随转子位置角的变化曲线如图1-2a所示，电动机每转一圈，电感变化的周期数正比于转子的极对数，该周期的长度为转子极距。
基于图1-2a的简化线性模型，式(1-1)可化简为式(1-2)，即： T(?,i)?12?L12dLi?i （1-2）2??2d?由上式可知，相绕组在恒定电流i作用下，产生的对应转矩如图1-2b所示。由此可见，SR电动机的转矩方向不受电流方向的影响，仅取决于电感随转角的变化；在相通电的过程中，若dLd??0，则产生电动转矩；若dLd??0，则产生制动力矩。因此，通过控制加到SR电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置，即可控制SR电动机转矩的大小与方向，这正是SR电动机调速控制的基本原理。
1.2.2 SRD系统的组成
工业电网整流功率变换SR电机负载电压检测驱动电流检测位置检测按键及显示控制CPU隔离转换图1-3 SRD系统基本结构
一般SRD系统由SR电机和控制系统组成，基本结构如图1-3所示。SRD系统包括:SR电动机、功率变换器、控制与检测单元、输入输出设备。其中控制系统主要包括功率驱动部份和控制器及检测部分。
功率驱动部分是将蓄电池或交流电整流后得到的直流电能量经适当转换后提供给SR电机。由于电机绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结
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构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的可以避免直接短路的故障。功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关，它是SRD系统能量传输的关键部分，工作在强电环境下，直接用来控制SR电机相绕组电流的通断来驱动电机转子的运转，是影响系统性能价格比的主要因素。
控制器及检测单元是SRD系统的核心部分，它综合处理电流传感器、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，实现对SR电机运行状态的控制。若控制器发出一系列控制信号，使电动机各相主开关器件按一定的规律导通，则电动机会按逆时针或顺时针方向旋转，并输出机械能；若输出相反顺序的触发信号，则电动机将反转。它工作在弱电环境下，通过接受外围键盘等设备下达的指令，检测转子的位置和绕组电流的大小等信息，送入CPU并结合控制策略，得出控制方法，然后将控制输出信号送入功率电路，且同时将电机的运行状态通过显示设备显示出来，其设计的好坏直接影响电机的运行性能。
1.2.3 SRD系统的特点和优点
SRD调速系统之所以被越来越多的人所关注，是因为其本身有许多自己的特点和优点。
(1)SR电机结构简单、优点多
SR电机是将电能转化为机械能的装置，其突出的优点是电机无碳刷和换相器，转子上没有任何形式的绕组，制造成本低且转子的机械强度高，使得电动机可高速运转而不致变形；另外转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，它只有几个集中绕组，线圈嵌装容易，端部短而牢固，因此制造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却；其次，电机转矩方向与相电流方向无关，在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率[1]；最后，电机启动转矩大，可靠性高，能适用于危险的环境，且控制方式很灵活。 (2)SRD系统中功率电路结构简单可靠
SR电动机的转矩方向与绕组电流的方向无关，只需单方向来对绕组供电，故功率电路结构简单，可以做到每相只需一个功率开关器件。只要控制主开关器件的开通、关断时间，即可改变电动机的工作状态。另外，系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，避免了直通短路现象。因此开关磁阻电动机调速系统中功率电路的保护部分可以简化，既降低了成本，又具有较高的可靠性。
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