高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 传和开发它的工业应用。目前SRD LTD已研制了几十瓦到几十千瓦的SR电机，并成功地用于车辆牵引、风机、泵及卷扬机等工业生产领域。美国还将SR电机用作飞机发动机的起动发电装置。
目前，SR电机得到了很大的发展，产品已经广泛地应用于电动车驱动系统、家用电器（洗衣机、食品加工机械等）、通用工业（风机、泵、压缩机等）、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机（用于纺织机，航空电动机，电动工具、离心机传动等）。功率范围从10w（转速为10000r/min）到5mw（转速为50r/min），转速上限高达10000r/s，几乎难以找到SR电机不适合的领域。
1.1.2 国内发展概况
我国对开关磁阻电机调速系统的开发研究开始于1984年，并被列为中小型电机“七五科研规划项目”。现已有大批高等院校、科研院所、生产企业从事开关磁阻电机调速系统的开发研究工作，如北京纺织机械研究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、合肥工业大学、哈尔滨电工学院、南京调速电机厂、山东淄博电机二厂、西安微电机研究所、上海电科所、上海中达-斯米克公司等。在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上，目前已有十余家单位推出不同性能、用途、功率（1KW到55KW）的多规格系列产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等多种行业、场所的数十种生产机械和运输车辆中。
在借鉴国外经验的基础上，国内对开关磁阻电机调速系统的开发研究尽管起步较晚，但是起点较高，研制目标基本都集中在较为成熟的三相或四相控制方案上， 华中科技大学开关磁阻电机课题组在“九五”项目中研制出使用SRD的纯电动轿车，在“十五”项目中将SRD应用到混合动力城市公交车，均取得了较好的运行效果。北京纺织机械研究所将SRD应用于毛巾印花机、卷布机，煤矿牵引及电动车辆等，取得了显著的经济效益。近年来，国内已有一大批高校、研究所和工厂投入开关磁阻电动机调速系统的研究、开发和制造工作。至今已有十余家单位推出不同性能、不同用途的几十个系列规格产品，应用于纺织、冶金、机械、运输等行业的数十种生产机械和交通工具中。
1992年，在中国电工技术学会中小型电机专业委员会领导下成立了开关磁阻电机学组，以更好地推动开关磁阻电机研究工作的进展。自此，开关磁阻电机的研究工作从最初摸索合理的设计方法转向如何加速优化设计发展，在绕组互感对运行的影响、转矩脉振、最佳电流波形、振动与噪声、发热及铁耗计算等方面提出了许多有益的见解和尝试；在控制方面，核心控制元件正由Intel公司的MCS-96或Motorola公司的M68000系列和
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 MCS8051系列产品单片机，和数字电子器件CPLD和FPGA等大规模可编逻辑器件取代了原来的MCS51系列产品。用以提高控制系统的响应速度，降低成本，实现更为复杂的控制策略。
1.2 开关磁阻电机控制系统的组成与性能特点
1.2.1开关磁阻电机控制系统的组成 开关磁阻电机控制系统简称SRD，开关磁阻电机控制系统结构简单从功能上来看，由开关磁阻电机（SR电机）、功率变换器、控制器和检测器四部分组成，如图1.1所示。 电源 功率变换器SR电机负 载 电流检测 位置检测 输入命令控 制 器图1.1 SR控制系统基本结构 1.2.2 开关磁阻电机调速系统其主要特点 (1)电动机结构简单、成本低、适于高速运行 开关磁阻电动机的突出优点是转子上没有任何形式的绕组，成本低；转子的机械强度高，电动机可高速运转而不致变形；转子转动惯量小，易于加、减速。在定子方面，只有集中绕组，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。
(2)功率电路简单可靠
因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，电路结构简单。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电路可以简化，既降低了成本，又具有很高的工作可靠性。
(3)效率高、功耗小
SRD系统是一种非常高效的调速系统。因为一方面电动机转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 制。图1.1给出了典型产品的输出特性和效率曲线，其系统效率在很宽的范围内都在87%以上，这是其它调速系统不易达到的。
(4)高起动转矩、低起动电流
从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是：当达到100%额定转矩时，只需30%的额定电流。
(5)可控参数多，调整性能好
控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种： A、控制开通角； B、控制关断角； C、控制相电流幅值； D、控制相绕组电压。
可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使之实现各种不同的功能和特定的特性曲线。
(6) 容错能力强
由于开关磁阻电机调速系统采用简单而坚固的转子结构，由单极性功率变换器供单方向电流激励，可做到磁路上各相相互独立和电路上各相相互独立，因此，该系统具有较高的运行可靠性和容错能力。
1.3开关磁阻电机调速系统的研究方向
由于开关磁阻电动机的发展历史短，涉及面广，在理论和应用上仍存在诸多值得研究探讨的课题：
1、优化设计和计算机辅助设计
与其它传统电机相比，这种双凸极结构的磁阻电机的电磁设计是比较特殊的。由于电机磁场分布的高度非线性，计算非常复杂；同时由于开关电路供电的非线性，电流波形规律特殊，只有将电机、变换器及控制模式一体化设计，协调优化电机、电路结构及控制参数等才能获得较为满意的设计结果。实践证明，经过优化设计的开关磁阻电机至少可以做到与同机座的交流电机同容量，完全可参照国家标准交流电机型谱系列设计开关磁阻电机。 2、系列化开发
开关磁阻电机的推广应用，在很大程度上取决于系列化开发的成功与否，包括通
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 用系列和派生系列。 3、相数的研究与选择
根据需要，开关磁阻电机可设计成多种结构型式。目前最常用的是四相和三相两种，小功率的也有采用两相结构。在每种相数中，又有多种不同的定、转子齿槽数方案供选择。可以说，每种方案都有不同的特点，可以满足众多应用场所的不同需求。 4、变换器方案确定和主开关元器件选择
开关磁阻电机调速系统的性能和制造成本，在很大程度上取决于变换器主电路的结构形式。变换器是根据控制器的指令输出直流脉冲电压分配给电机各相绕组工作的，方案类型很多。随着电力电子技术的发展和新元器件的不断涌现，如何合理地选择主开关元件的类型、数量及容量也是十分重要的课题。 5、微处理器和专用集成电路的应用
开关磁阻电机能够正常工作的关键是每相开关导通、关断的实时控制，对起动、运行、故障保护也要实时控制。在微机控制中，已由8位单片机，发展为16位单片机，双16位或32位的单片微机的应用亦正在研究开发之中。开关磁阻电机控制电路的集成化对简化硬件电路、产品系列化、提高可靠性等非常有效，是研究的方向。这是都是开关磁阻电机迈向成熟和批量生产的必由之路。 6、高转速开关磁阻电机产品的开发
很多场合需要高速传动，而开关磁阻电机具有转子结构简单、高速适应性好和调速范围宽的特点，因此，开发高速产品是充分发挥特色的一个方向。此外，实现高速还可以有效提高能流密度。 7、振动、噪声研究
开关磁阻电机调速系统的脉冲电压、电流工作方式，不可避免地带来瞬时转矩的脉动，尤其在高速重载时，振动、噪声将更大，因此，研究开关磁阻电机电磁力产生的振动噪声，改进其特性已成为重要的研究课题。 8、电机铁耗、效率分析
开关磁阻电机调速系统是一种高效率的调速系统，但双凸极磁阻结构的铁心损耗计算却是难度较大的研究课题。由于供电波形复杂，局部磁路饱和，步进运动状态和双凸极结构，定子铁心损耗很难得到精确的解析式，转子铁心损耗就更难精确计算了。铁耗是影响电机效率的主要因素之一，对电磁计算的准确与否和计算机仿真结果都有直接影响，有必要进一步分析探讨。 9、无位置检测器方案研究
位置闭环控制是开关磁阻电机的基本特征之一，但它的存在使结构简单的优点逊色
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 不少，同时也增加了成本、降低了可靠性。探索实用的无位置检测器方案成为重多科研人员十分关注的课题。 10、工业应用探索
基于优良的性能特点，发展开关磁阻电机调速系统无疑有广阔的市场前景。作为一种新型调速系统，尚需要在开发工业应用上花费大量的人力物力，致力于研究开发系列化、通用化和能够满足特殊需求的特种开关磁阻电机调速系统。
1.4 本文的主要研究内容
随着开关磁阻电机的应用领域不断扩大，对开关磁阻电机的研究也不断深入。为了实现对开关磁阻电机调速系统在各种不同控制参数下的运行性能的比较，开发高性能的开关磁阻电机调速系统就显得十分必要。而早期的开关磁阻电机的控制器大多是采用以51，96 系列单片机为核心的微机控制器，由于其集成度不高，使相应的外围硬件增多，而且因为51，96 系列单片机的运算速度较慢，对系统控制精度将产生不利的影响，同时一些复杂的算法也不能实现。本论文采用了PHILIPS 公司的LPC2101 ARM 微控制器，该CPU 具有集成度高，内部集成了AD 转换器、PWM 发生器等，运算速度快，使复杂的控制算法成为可能，系统的整体性能得到了保障。在硬件方面，由于开关磁阻电机的非线性，使硬件电路的设计成为整个系统关键的一个环节。本论文采用了一种具有较少开关数的功率电路H 型功率电路，主开关使用了IGBT，还设计了专门的电压保护、过流保护、电流检测和位置检测单元、正反转等一系列电路。
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