再摘一些文章——
1 發(fā)展簡(jiǎn)介
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)最早可以追溯到1970年，英國(guó)Leeds大學(xué)步進(jìn)電機(jī)研究小組首創(chuàng)一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)雛形。到1972年進(jìn)一步對(duì)帶半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的小功率電動(dòng)機(jī)(10w～1kw)進(jìn)行了研究。1975年有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并一直發(fā)展到可以為50kw的電瓶汽車(chē)提供裝置。1980年在英國(guó)成立了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置有限公司(SRD Ltd.)，專門(mén)進(jìn)行SRD系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。1983年英國(guó)(SRD Ltd.)首先推出了SRD系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品命名為OULTON。1984年TASC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)公司也推出了他們的產(chǎn)品。另外SRD Ltd. 研制了一種適用于有軌電車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，到1986年已運(yùn)行500km。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動(dòng)界引起不小的反響。在很多性能指標(biāo)上達(dá)到了出人意料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了工業(yè)中長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動(dòng)系統(tǒng)。下表是當(dāng)時(shí)對(duì)幾種常用變速傳動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)所作的比較。成本 1.0 1.5 1.0
美國(guó)、加拿大、南斯拉夫、埃及等國(guó)家也都開(kāi)展了SRD系統(tǒng)的研制工作。在國(guó)外的應(yīng)用中，SRD一般用于牽引中，例如電瓶車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)。同時(shí)高速性能是SRD的一個(gè)特長(zhǎng)的方向。據(jù)報(bào)道，美國(guó)為空間技術(shù)研制了一個(gè)25000r/min、90kW的高速SRD樣機(jī)。我國(guó)大約在1985年才開(kāi)始對(duì)SRD系統(tǒng)進(jìn)行研究。SRD系統(tǒng)的研究已被列入我國(guó)中、小型電機(jī)“八五”、“九五”和“十五”科研規(guī)劃項(xiàng)目。華中科技大學(xué)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出使用SRD的純電動(dòng)轎車(chē)，在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車(chē)，均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將SRD應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī)，煤礦牽引及電動(dòng)車(chē)輛等，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
從上世紀(jì)90年代國(guó)際會(huì)議的上有關(guān)SRD系統(tǒng)的文章來(lái)看，對(duì)SRD系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)從論證它的優(yōu)點(diǎn)、開(kāi)發(fā)應(yīng)用階段進(jìn)入到設(shè)計(jì)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)研究階段。對(duì)SR電機(jī)、控制器、功率變換器等的運(yùn)行理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了更加深入的研究。
2 SRD系統(tǒng)的特點(diǎn)
SR電機(jī)系統(tǒng)具有一些很有特色的優(yōu)點(diǎn)：
(1)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，可工作于極高轉(zhuǎn)速;定子線圈嵌放容易，端部尺寸短而牢固。工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境;
(2)損耗主要產(chǎn)生在定子，電機(jī)易于冷卻;轉(zhuǎn)子無(wú)永磁體高溫退磁現(xiàn)象:可允許有較高的溫度;
(3)轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無(wú)關(guān)，因而可簡(jiǎn)化功率變換器，降低系統(tǒng)成本。同時(shí)功率變換器不會(huì)出現(xiàn)直通故障，可靠性高；
(4)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，無(wú)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。
(5)調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性;
(6)在較廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)具有較高的效率。能四象限運(yùn)行，具有較強(qiáng)的再生制動(dòng)能力;
(7)有很好的容錯(cuò)能力，可以缺相運(yùn)行。
這些優(yōu)點(diǎn)使得SR電機(jī)系統(tǒng)在家用電器、通用工業(yè)、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)等方面的到廣泛的應(yīng)用。
早期的SRD由于很少考慮電機(jī)的噪聲，所有的樣機(jī)或產(chǎn)品都具有相對(duì)較大的噪聲，以至于成為SRD的一大特點(diǎn)而為人們接受。同時(shí)，SRD還具有很大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲這兩個(gè)突出問(wèn)題已經(jīng)制約了SRD的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。隨著研究的深入，降低SR電機(jī)的噪聲和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成了SRD的研究熱點(diǎn)。
3 SRD系統(tǒng)構(gòu)成
SRD系統(tǒng)主要由四部分組成:SR電機(jī)本體、功率變換器、控制器及位置和電流檢測(cè)器。它們之間的關(guān)系如圖1所示：
3.1 SR電機(jī)本體
SR電機(jī)本體是SRD的執(zhí)行元件， 如圖2所示開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，電機(jī)為了增加出力而設(shè)計(jì)成雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子僅由硅鋼疊片疊壓而成，既無(wú)繞組也無(wú)永磁體;定子各極上有集中繞組，徑向相對(duì)極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一相。其工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因此磁場(chǎng)扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。若順序給D-A-B-C-D相繞組通電,則轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)主開(kāi)關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時(shí)，A相繞組從直流電源V吸收電能;當(dāng)S1、S2關(guān)斷時(shí),繞組電流通過(guò)續(xù)流二級(jí)管D1、D2將剩余的能量回饋給電源。
3.2 功率變換器
功率變換器是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的功率開(kāi)關(guān)部件。
80年代初，主開(kāi)關(guān)器件皆用SCR。鑒于SRD電流脈沖峰值較大，而SCR電流峰值/平均電流比值高，能承受很大的浪涌沖擊，一度被視為SRD中最理想的主開(kāi)關(guān)器件。但SCR無(wú)自關(guān)斷能力，開(kāi)關(guān)頻率低，強(qiáng)迫換相電路成本高，可靠性差，構(gòu)成的SRD總體性能有局限。后來(lái)較多應(yīng)用GTR，但GTR承受浪涌電流能力差，存在二次擊穿問(wèn)題，不易保護(hù)，限制了其在高壓、大功率場(chǎng)合下的應(yīng)用。
80年代中期，結(jié)合了SCR、GTR兩者優(yōu)點(diǎn)的GTO受到重視。因GTO兼有自關(guān)斷、快速開(kāi)關(guān)能力，能承受較GTR高的電流、電壓。所以TASC Drives公司的OULTON SRD產(chǎn)品中均用GTO作主開(kāi)關(guān)器件。
近年來(lái)，考慮到GTO在關(guān)斷時(shí)要求相當(dāng)大的反向控制電流，關(guān)斷控制實(shí)現(xiàn)有難度，國(guó)外小功率SRD中常用MOSFET，較大功率則采用IGBT。
功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)逆變器有很大差異，具有多種形式，并且與開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的相數(shù)、繞組連接形式有密切的關(guān)系。其中，最常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有:不對(duì)稱半橋式、直流電源分裂式等。
3.3 控制器
SR電機(jī)的運(yùn)行離不開(kāi)控制器，它是實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)自同步運(yùn)行和發(fā)揮優(yōu)良性能的關(guān)鍵。它綜合位置檢測(cè)器、電流檢測(cè)器提供的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度和電流等反饋信息，以及外部輸入的命令，然后通過(guò)分析處理，決定控制策略，向SRD系統(tǒng)的功率變換器發(fā)出一系列開(kāi)關(guān)信號(hào)，進(jìn)而控制SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。
伴隨著微電子器件的飛速發(fā)展，SR電機(jī)的控制系統(tǒng)也從早期的分立模擬器件組成的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展成為以高性能微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)，相應(yīng)地專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)給各種高級(jí)復(fù)雜控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了可能。數(shù)字控制器由具有較強(qiáng)的信息處理功能的CPU和數(shù)字邏輯電路及接口電路等部分組成。數(shù)字控制器的信息處理功能大部分是由軟件完成。因此，軟件也是控制器的一個(gè)重要組成部分。軟、硬件的配合是否恰當(dāng)，對(duì)控制器的性能將產(chǎn)生重大影響。
3.4 位置、電流檢測(cè)器
位置檢測(cè)器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號(hào)的提供者。它及時(shí)向控制器提供定、轉(zhuǎn)子極間相對(duì)位置的信號(hào)。常見(jiàn)的位置檢測(cè)方案有光敏式、磁敏式及接近開(kāi)關(guān)等含機(jī)械的檢測(cè)方案。
電流檢測(cè)器向控制器提供SR電機(jī)繞組的電流信息，常見(jiàn)的電流檢測(cè)方案有:電阻采樣、霍爾元件采樣和磁敏電阻采樣等。
4 SRD系統(tǒng)研究熱點(diǎn)
針對(duì)SRD系統(tǒng)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在進(jìn)行以下幾個(gè)方面的深入研究。
4.1 功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于SRD系統(tǒng)的性能和成本很大程度上取決于功率變換器的性能和成本，因此功率變換器的研究意義重大，目前研究主要集中在功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主開(kāi)關(guān)器件的選擇和使用等方面。
SRD系統(tǒng)功率變換器是由一定數(shù)量的電力電子器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合而成。SRD系統(tǒng)功率變換器研究初期，最少量主開(kāi)關(guān)器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)曾是研究的熱點(diǎn)，這是因?yàn)橹鏖_(kāi)關(guān)器件的減少，意味者相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路以及功率損耗等相應(yīng)減少，因此系統(tǒng)的體積以及成本會(huì)全面降低。隨著研究深入，這種觀點(diǎn)不再特別突出，主要原因是各種以減少主開(kāi)關(guān)器件數(shù)目的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在減少主開(kāi)關(guān)器件數(shù)目的同時(shí)，又引進(jìn)了其他諸如電容、電感等無(wú)源儲(chǔ)能元件以及輔助開(kāi)關(guān)器件，系統(tǒng)的體積與成本并未顯著降低，其實(shí)質(zhì)只是通過(guò)增加單個(gè)主開(kāi)關(guān)器件的容量來(lái)減少主開(kāi)關(guān)器件的數(shù)目。因此更理想的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該為:
(1)能夠獨(dú)立、快速又精確地對(duì)SR電機(jī)各相相電流進(jìn)行控制;
(2)磁場(chǎng)儲(chǔ)能盡可能地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，當(dāng)向電源回饋時(shí)應(yīng)高效、快速;
(3)驅(qū)動(dòng)同等功率等級(jí)的SR電機(jī)，具有最小的伏安容量，或者同等伏安容量，可以驅(qū)動(dòng)更高功率等級(jí)的SR電機(jī);
(4)每相主開(kāi)關(guān)器件數(shù)目最少。
4.2 多目標(biāo)優(yōu)化控制
在控制參數(shù)的優(yōu)化方面，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可選取不同的目標(biāo)函數(shù)，如系統(tǒng)的效率最高、平均轉(zhuǎn)矩最大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)最小等。由于SRD控制參數(shù)多、電機(jī)模型復(fù)雜，使得優(yōu)化過(guò)程計(jì)算量大，而且得到的只是針對(duì)單個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果。與傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，SRD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的難度要高一些。但是隨著各種控制理論在傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的研究日益深入，它們?cè)赟RD系統(tǒng)中的應(yīng)用也逐漸增多。如采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，以斬波電流限為控制變量，實(shí)現(xiàn)了SR電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。一些現(xiàn)代的控制理論和方法在SR電機(jī)的控制中也得到了應(yīng)用，如模糊控制、模糊控制與PI控制結(jié)合在一起的混合式調(diào)節(jié)、滑模控制，自適應(yīng)控制、線性回饋控制以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的使用部分解決了SRD系統(tǒng)的非線性多變量強(qiáng)耦合問(wèn)題，但離實(shí)用技術(shù)還有一定距離，主要表現(xiàn)在一些控制技術(shù)中為設(shè)計(jì)目的提出的模型太過(guò)復(fù)雜而難以用于SR電機(jī)實(shí)時(shí)控制，而有的為控制目的提出的模型則過(guò)于簡(jiǎn)單而影響了控制的實(shí)際效果，或者因控制參數(shù)難于確定而失去實(shí)用的價(jià)值。但隨著微電子技術(shù)和高級(jí)控制技術(shù)的發(fā)展，這些控制技術(shù)必將在SRD系統(tǒng)中得到切實(shí)應(yīng)用。
4.3 消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制
SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，受到許多因素的影響，如電機(jī)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、繞組匝數(shù)、轉(zhuǎn)速及控制參數(shù)等。由于SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)，電磁特性以及開(kāi)關(guān)的非線性影響，采用傳統(tǒng)控制策略得到的合成轉(zhuǎn)矩不是一恒定轉(zhuǎn)矩，因而導(dǎo)致了相當(dāng)大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這點(diǎn)限制了SRD在很多直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用。提出有效減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法具有十分重要的意義。
目前已有很多文獻(xiàn)論及這個(gè)領(lǐng)域，取得了一定的效果。
4.4 低噪聲控制
針對(duì)SR電機(jī)本體，噪聲是一個(gè)非常突出和有待解決的問(wèn)題。早期的SRD由于很少考慮電機(jī)的噪聲，所有的樣機(jī)或產(chǎn)品都具有相對(duì)較大的噪聲，以至于成為SRD的一大特點(diǎn)而為人們接受。隨著研究的深入和SR電機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，降低SR電機(jī)的噪聲成了一個(gè)關(guān)鍵的研究課題。
4.5 無(wú)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)
位置檢測(cè)是SR電機(jī)同步運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是SR電機(jī)區(qū)別于步進(jìn)電機(jī)的主要方面之一，SR電機(jī)的各種高級(jí)控制技術(shù)都是以高精度的位置檢測(cè)為首要條件，為了得到良好的性能，SR電機(jī)的控制器需要知道轉(zhuǎn)子的位置信息。目前普遍采用外裝光電式或磁敏式等軸位置檢測(cè)器，這不僅增加了系統(tǒng)的體積和成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。為了消除軸位置檢測(cè)器這一不利因素，無(wú)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)成為SR電機(jī)研究的一大熱點(diǎn)
