湖南工业大学本科生毕业设计（论文）
在电感上升期间，相绕组通以电流，则产生正转矩，处于电动机状态；如在电感下降期间，相绕组通以电流，则产生负转矩，处于发电机状态。因此．通过控制相绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度，即可控制SR电机转矩的大小和方向，实现SR电机的调速控制。
SR电机可设计成单相，两相，三相，四相以及多相等不同的相数结构，且有每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙，径向气隙和轴向-径向混合气隙结构，内转子和外转子结构。低于三相的SR电机一般没有自起能力。相数越多，有利于减小转矩波动，但会导致结构复杂，主开关器件多，成本增高。 表1.1 常见定、转子极数组合方案
相数 定子极数 转子极数
1 2 2
2 4 2
3 6 4
4 8 6
5 10 8
6 12 10
(资源来源：《开关磁阻电机设计与应用》. 北京，机械工业出版社，2000.6版，第2页)
2.1.2 开关磁阻调速电动机的结构
开关磁阻电机有很多不同的结构形式,各有其不同的性能特点。该电机的定、转子铁心均由硅钢片叠成。定、转子冲片上均冲有齿槽，构成双凸极结构。依定、转子片上齿槽的多少，构成不同极数的电机。为避免单边磁拉力，径向必须对称，故定子、转子极数应为偶数。除单相电机外，应使定子极（齿槽）数Z与转子极（齿槽）数Z不相等，但为提高电机出力，要尽量接近。对内转子电机，常用的关系式为
Zs?ZR?2 (2.1)
对外转子电机常用的关系式为
Zs?ZR?2 (2.2)
每个定子极上套一个集中绕组。同样为避免单边磁拉力，圆周上相对的两个极上的线圈应属于同一绕组。若每相绕组由p个极上的线圈相互串联（或并联）构成，则电机的相数为
m?Zs（内转子） (2.3) p
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m?ZR（外转子） (2.4) p通常p取2，即每相绕组由圆周相对两个极上的线圈构成。P取4的也比较常用。
选择电动机的极数及相数与电机性能和经济性密切相关，一般地说，极数和相数增多，电动机转矩脉动减少，运行平稳，但是增加了电动机的复杂性，特别是功率电路的成本提高。
2.2 开关磁阻电机系统的构成
如图2.2，SRD系统主要由六部分组成:SRM、功率变换电路器、控制器及位置和电流检测器，速度检测器。
图2.2 SRD的系统框图
系统分为两个部分——功率系统和控制系统。它们之间用驱动电路来实现隔离。隔离有两种方法，一种是磁耦隔离，一种是光电隔离。
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2.2.1功率变换器
功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。
80年代初，主开关器件皆用SCR。鉴于SRD电流脉冲峰值较大，而SCR电流峰值平均电流比值高，能承受很大的浪涌冲击，一度被视为SRD中最理想的主开关器件。但SCR无自关断能力，开关频率低，强迫换相电路成本高，可靠性差，构成的SRD总体性能有局限。后来较多应用GTR，但GTR承受浪涌电流能力差，存在二次击穿问题，不易保护，限制了其在高压、大功率场合下的应用。
80年代中期，结合了SCR、GTR两者优点的GTO受到重视。因GTO兼有自关断、快速开关能力，能承受较GTR高的电流、电压。所以TASC Drives公司的OULTON SRD产品中均用GTO作主开关器件。
近年来，考虑到GTO在关断时要求相当大的反向控制电流，关断控制实现有难度，国外小功率SRD中常用MOSFET，较大功率则采用IGBT。功率变换器的拓扑结构与传统逆变器有很大差异，具有多种形式，并且与开关磁阻电动机的相数、绕组连接形式有密切的关系。其中，最常见的拓扑结构有:不对称半桥式、直流电源分裂式等。功率变换器又称为主电路它的设计电路的原则如下：
（1） 必须要可靠 （2） 功率开关少 （3） 换相性能要好
研究的主要内容就是器件选择的问题，开关一般要选用可控硅。
可控开关电路即变换器，它和电源及电机绕组一起构成的功率主电路如图2.3所示。这是典型的三相开关磁阻电动机系统主电路。三相绕组如图中A1、B1、C1，电源可为电池组，也可为蓄电池，而工业应用中更多的是交流整流电源。图中每相有两只功率三极管作可控开关，两只续流二极管建立续流通道。例如V1、V2触发导通，则A1相由电源供电；当V1和V2受控关断时，相电流将循续流二极管VD1、VD2形成通路回馈至电源而迅速衰弱。可以看出转子每转过一个齿距角，定子每相通断工作一个周期，其中各相按转子的相对位置不同而顺序先后循环工作。所以位置检测器是开关磁阻电机的重要特征部件，它实时检测转子的位置，有序、有效的控制变换器工作。
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图2.3 三相开关磁阻电机主电路
2.2.2控制器
SR电机的运行离不开控制器，它是实现SR电机自同步运行和发挥优良性能的关键。它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制SR电动机的运行。
伴随着微电子器件的飞速发展，SR电机的控制系统也从早期的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器(DSP)给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。数字控制器由具有较强的信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口电路等部分组成。数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成。因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能将产生重大影响。
控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的命令、实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢。控制器一般由单片机以及外围接口电路等组成。在SRD中，要求控制器具有下面几个性能：
（1） 电流斩波控制 （2） 角度位置控制
（3） 起动、制动、停车以及四象限运行 （4） 速度调节
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2.2.3 位置和电流检测器
位置检测器是转子位置及速度等信号的提供者。它及时向控制器提供定、转子极间相对位置的信号。常见的位置检测方案有光敏式、磁敏式及接近开关等含机械的检测方案。
位置传感器向控制器提供转子位置以及速度等信号，使控制器能正确的决定绕组的导通和关断时刻。通常采用光电器件、霍尔元件或者电磁线圈法进行位置检测，采用无位置检测传感器的位置检测方法是SRD的发展方向，对降低成本、提高系统的可靠性有重要的意义。
2.3 开关磁阻调速电动机的控制
2.3.1 开关磁阻调速电动机的控制原理
一台q相SR电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律。可以写出SR电机第k的电动势平衡方程
uk?Rkik?d?kdt （2.5）
电压平衡方程式为 相电流解析式可表示为：
didLu ?RI?L?i（2.6） dtdtuf???
i?? （2.7）
对于不同的开关角区域，f???值不同，它是电机几何尺寸、开关角、转子位置的函数。相电流产生的电磁转矩为：
1?LTem?i22?? （2.8）
对于m相电机，设各相完全对称，相周期为?cy，其中平均转矩为：
TaV?m?cy??012?Lmu2id??2??2?cy?2??0f2????Ld??? （2.9）
若控制对象电机确定，开关角恒定，上式积分部分为一常数，因此