开关磁阻电动机调速控制技术

开关磁阻电动机调速系统（SRD）是20世纪80年代兴起的新型机电一体化交流调速系统，兼有传统交直流传动系统的优点，结构坚固、简单、成本低、起动转矩大、效率高，已有正式的SRD产品，应用在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等各个领域，显示出强大的市场竞争力。本书基于作者长期从事SRD研究和开发工作的体会，全面阐述SRD的建模、分析及其控制器、功率变换器的设计理论，力图体现SRD非线性建模与仿真、无位置传感器控制、转矩脉动及振动控制、智能控制算法应用等SRD控制技术的主要进步。全书共分八章，包括导论，SR电动机建模与调速理论，SR电动机功率变换器设计基础，反馈信号检测，SR电动机控制系统设计基础，SR电动机脉宽调压调速系统设计举例，SR电动机转矩脉动、振动分析与控制，SR电动机直接数字控制系统设计举例。本书回避繁琐数学推导，注重物理概念，强调学术性和实用性相结合，理论联系实际。

《电气自动化新技术丛书》序言

第6届《电气自动化新技术丛书》编辑委员会的话

第2版前言

第1版前言

第1章导论1

1.1电气传动技术的发展1

1.2SR电动机的基本结构、原理与特点4

1.3SRD的基本结构、原理与特点8

1.3.1SRD的基本构成与工作原理8

1.3.2SRD与步进电动机驱动系统的比较9

1.3.3SRD与异步电动机变频调速系统的比较9

1.3.4SRD与BLDCM调速系统的比较12

1.4SRD发展现状与发展方向13

1.4.1SRD发展简史13

1.4.2SR电动机设计与分析的发展15

1.4.3功率变换器设计与分析的发展19

1.4.4SR电动机控制技术的发展21

1.4.5SRD研究的发展方向29

1.5SRD的工业应用31

附录样机参数33

第2章SR电动机建模与调速理论35

2.1概述35

2.2SR电动机的基本方程式36

2.2.1电路方程36

2.2.2机械方程37

2.2.3机电联系方程37

2.3SR电动机线性模型及相电流线性分析39

2.3.1SR电动机线性模型 39

2.3.2与SR电动机线性模型对应的相绕组磁链波形41

2.3.3基于SR电动机线性模型的相电流解析分析42

2.4SR电动机的准线性模型及转矩的准线性分析48

2.4.1SR电动机的准线性模型 48

2.4.2基于准线性模型的瞬时转矩解析计算50

2.4.3基于准线性模型的平均转矩计算51

2.5SR电动机调速控制的基本方法55

2.6SR电动机非线性模型58

2.6.1基于特殊位置磁化曲线的磁链分区解析拟合58

2.6.2基于指数函数的非线性磁链解析模型63

2.6.3基于非线性模型的电磁转矩计算65

2.7SR电动机起动及基本调速控制方式分析66

2.7.1SR电动机起动运行分析66

2.7.2SR电动机电流斩波控制方式运行分析68

2.7.3SR电动机角度位置控制方式运行分析70

2.7.4基于非线性模型的SR电动机稳态运行仿真72

2.8SRD整体非线性动态仿真建模74

2.8.1基于MATLAB的三相（6/4极）SRD非线性动态仿真建模74

2.8.2基于MATLAB的四相（8/6极）SRD非线性动态仿真建模81

2.9SR电动机制动运行分析87

第3章SR电动机功率变换器设计基础91

3.1概述91

3.2功率变换器拓扑91

3.2.1不对称半桥电路92

3.2.2每相只有一个主开关器件的功率变换器93

3.2.3对不对称半桥进行改进的少开关器件功率变换器97

3.3主开关器件99

3.4功率变换器的伏安容量101

3.4.1SR电动机功率变换器伏安容量的计算101

3.4.2能量比率——SR电动机的广义功率因数102

3.4.3饱和对要求的功率变换器伏安容量的影响106

3.5主开关器件的电压、电流额定值107

3.5.1以电流定额最小为目标的系统优化设计110

3.5.2主开关器件电流定额的估算112

3.6功率变换器设计举例113

3.6.12.2kW SR电动机功率变换器设计113

3.6.20.75kW SR电动机功率变换器设计118

3.6.37.5kW SR电动机功率变换器设计120

第4章反馈信号检测127

4.1概述127

4.2转子位置检测127

4.2.1用光敏式转子位置传感器检测转子位置127

4.2.2无位置传感器间接检测转子位置的方法131

4.3相电流检测145

4.3.1电阻采样光隔离式电流检测法145

4.3.2电隔离霍尔元件电流检测法146

4.4速度检测148

4.4.1模拟测速法（F/V电路测速）149

4.4.2数字测速法149

第5章SR电动机控制系统设计基础153

5.1概述153

5.2SRD小信号模型及调节器工程设计153

5.2.1SRD小信号模型及其传递函数153

5.2.2调节器设计160

5.3SRD优化运行控制 161

5.3.1SR电动机各种运行方式的最佳组合161

5.3.2SRD参数最优化控制165

5.4SRD模糊控制器设计173

5.4.1模糊控制决策表设计174

5.4.2量化因子及比例因子的调整177

5.5开关磁阻风力发电机单神经元自适应PID调节器设计179

第6章SR电动机脉宽调压调速系统设计举例188

6.1概述188

6.22.2kW SR电动机PWM调压调速系统概述188

6.3位置逻辑控制电路设计189

6.4SG3524线性PWM集成电路及其应用190

6.4.1SG3524线性PWM集成电路190

6.4.2SG3524在SR电动机电压PWM调压调速系统中的应用192

6.5调节器设计192

6.5.1系统参数计算193

6.5.2速度调节器的设计及具体实现195

6.6系统性能分析197

6.6.1闭环机械特性197

6.6.2饱和超调分析197

6.6.3速度环动态特性198

第7章SR电动机转矩脉动、振动分析与控制201

7.1概述201

7.2基于转矩分配函数法的SR电动机转矩脉动抑制201

7.2.1转矩分配函数法概述201

7.2.2采用期望电流跟踪的转矩脉动控制器设计举例205

7.2.3采用直接瞬时转矩控制的转矩脉动控制器设计举例210

7.3SR电动机定子振动特性分析218

7.3.1SR电动机定子振动模态及固有频率的有限元计算218

7.3.2SR电动机定子振动特性的机电类比分析220

7.4SR电动机定子振动抑制策略225

7.4.1SR电动机径向力及定子振动控制的一般方法225

7.4.2两步换相法及其实验分析227

7.4.3两步换相的时间间隔优化232

第8章SR电动机直接数字控制系统设计举例237

8.1概述237

8.2系统原理框图238

8.3系统硬件设计239

8.3.1硬件结构框图239

8.3.2位置译码及换相控制电路设计240

8.4系统软件设计243

8.4.1换相规则的软件设计——HSI中断服务程序243

8.4.2速度采样及数字滤波244

8.4.3速度环程序245

8.4.4电压PWM方式的实现和软起动的实现247

8.4.5改进的PI算法248

8.4.6比例因子自调整模糊控制算法的实现248

8.5系统运行实验250

参考文献253