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1、微特电机及其控制课程大作业学 院（系）： 电子信息与电气工程学部专 业： 电气工程及其自动化 指 导 教 师： 孙建忠 学 生 姓 名： 学 号： 完 成 日 期： 2014年5月14日 大连理工大学Dalian University of Technology微特电机及其控制课程大作业一、功率变换部分试设计一台功率为4kW、三相12/8极开关磁阻电机的功率变换器，该电机由60V蓄电池供电。功率变换部分要求具有一定的保护措施。选定功率开关器件，选定电容，具有一定的保护措施。开关磁阻电机常见的主电路形式有以下五种：1. 双开关型主电路2. 双绕组型主电路3. 电容分压型主电路4. H桥型主电路5
2、. 公共开关型主电路下面列表分析优缺点：表1 5种功率变换电路优缺点对比类 型适用相数主开关额定工作电压续流二极管额定工作电压Us/UmUc/Um 优点缺点双开关式任意相U sU s11各相绕组相电流 可独立控制主开关器件多,成本高双绕组式任意相2U s2U s11能量回馈迅速,主开 关器件数量少关断尖脉冲高,电机 槽及铜线利用率低 电容分压式偶数UsUs21方便工作在相数较多的场合,能量回馈迅速 相间独立性差,仅用于偶数相,且存在电压中位点漂移H桥式4的整倍数UsUs浮动浮动可以实现零电压续流只能工作于四相或其倍数相的电机中公共开关式任意相UsUs 11开关器件少,效率高,能量回馈迅速,易于
3、实现 需要附加一个主开关,关断角受限制 一个理想的功率变换器电路形式应具备的原则，一是尽可能少的主开关器件；二是将全部的电源电压加给电机相绕组，即参数Us/Um功率变换器主电路的直流供电电压Us与相绕组最大供电电压Um之比最好为1这样在同容量的条件下，开关磁阻电机的相电流小、铜耗小，系统效率就高；三是参数Uc/Um即相绕组的换相电压Uc与相绕组最大供电电压 Um之比 从主开关和续流二极管额定工作电压的合理性和系统快速换相的要求出发，该参数最好等于1；四是开关的调制可有效地控制相绕组电流的通断；五是具备使绕组电流迅速上升的能力且保证能量迅速回馈给电源。1 综上，电容分压式及H桥式电路不符合本设计
4、三相12/8极电机的设计要求，舍弃。公共开关式控制相对复杂，舍弃。综合考虑，双开关式和双绕组式，本人认为双绕组式有以下优势：第一，本设计的电源采用60V蓄电池直流供电，电源电压较低，双开关型电路的两个开关管压降此时不能忽略，将会影响到绕组电压，双绕组型少一个开关管，绕组电压较高；第二，双绕组型增大的开关管工作电压和二极管工作电压在低电压场合不存在影响，即额定60V和额定120V的电子电子元件成本差别不大。综合以上因素，本设计采用双绕组型主电路。图1 12/8三相开关磁阻电机结构图如图1，对于12/8极三相开关磁阻电机电机来说，每项绕组应串联4个定子极。本设计实际制造时应采用线圈双股（MN）并绕
5、方式绕制，而后将M线首段同N线末端相连作为绕组线圈的一极，将M线末端同N线首段相连作为另一极。图2 12/8极三相开关磁阻电机双绕组型功率变换电路设计功率开关管和续流二极管的选用取决于系统容量大小、电压定额要求和电流定额要求。一般在低压、小功率系统中采用MOSFET，在中小功率系统中选用IGBT，在大功率系统中采用MCT。本设计电源供电电压为60V，双绕组型功率变换电路使得理论上开关管和二极管电压耐压应为2倍电源电压，考虑漏感引起的尖峰，及设计裕量，区开关管和续流二极管耐压为400V。功率4KW即额定电压为66.7A，二倍裕量取为140A，考虑到启动电流，取瞬时脉冲电流为250A。查找资料可知
6、，MOS管通过电流能力较差，一般型号低于50A，故采用IGBT开关管，考虑到需要频繁导通截止，续流二极管采用快恢复二极管。查阅数据表，采用东芝出品的IGBT模块MG150J1BS11，25摄氏度条件下，其参数为额定工作电压600V，脉冲电流300A，长期工作电流150A，满足要求。但该IGBT不包含反平行二极管，因而必须外接保护电路抑制尖峰电压。续流二极管采用富士生产的功率二极管1FI150B-060，该二极管额定电压为600V，额定电流150A，瞬时电流值2000A。考虑到成本问题，我们采用没有反平行二极管的单个IGBT模块，以及单个功率二极管配合的方法，这是受到了双绕组型电路的制约的结果。
7、如果采用双开关型电路，我们则可以采用图三的方法，利用多管集成IGBT模块，简化电路。图三 多管集成式IGBT在双开关型功率变换电路中的应用IGBT 关断时 di/dt 很大，造成很大的电流应力，与主电路电感相互作用产生di/dt 高压叠加在 IGBT 上，有可能超过 IGBT 的安全工作极限。为把di/dt 控制在安全区域内，我们使用图4所示的电压尖峰抑制电路。图四 开关管尖峰电压抑制电路在功率管关断瞬间，电流将有一部分流过二极管向电容充电，由于电容上电压不能突变，因此减小了功率管中关断电压的速度，将减小一部分功率管的关断损耗，从而对功率管形成保护。同时，电压变化率的减小也降低了高频电磁干扰。
8、电阻则为电容能量释放电阻，在功率管导通时，电阻，电容，功率管形成放电回路，大部分电容的能量将通过电阻释放。可见，RCD保护电路仅工作在开关过渡时间，降低了功率管的关断损耗，提高了系统可靠性。器件参数一般需要试验测试得出，这里采用常见的计算公式大致进行计算：2 C=IOFFTOFF2UsIVD=12IOFFTOFFfR=18fCn=60fNrfc=mf取Us = 120V，Ioff = 65A，n=1500 r/min，toff = 1s ,计算得fc=600Hz,C=0.27F ，Ivd =19.5mA,R=770。故选用耐压值为600V的CBB 0.22F电容，选用947电阻。二、位置传感器
9、部分一台SR电机的位置传感器所用光电开关的参数如下：工作电压5-24VDC,发光二极管电流40mA，晶体管输出电流10mA。试设计位置信号检测器电路。为了防止位置信号边沿抖动，要求采用施密特触发器对其整形。以上文12/8极电机为例，我们采用三个位置传感器间隔15安装，设置45间隔的遮光盘。则需要处理三个占空比为25%的信号。晶体管发出的信号首先通过比较器，而后采用集成四运放LM324对信号进行一阶有源滤波并放大，而后送六反相施密特触发器74LS14，而后送反相器输出，电路如图五。光电传感器电压采用15VDC，假设晶体管导通压降1V，发光二极管导通压降0.5V。按照发光二极管电流40mA，晶体管
10、输出电流10mA的要求解得R1=400，R2=1.5K。运放U1选用OP07，作为比较器，输出端进行分压，R3=20K，R4=10K。信号频率为4*1500/60=100Hz。滤波电路设计截止频率1000Hz。R5=10K，C1=0.1F。R6=R7=1K。图5 位置传感器检测电路三、电流检测电路题一的开关磁阻电机，为了保证较大的启动转矩，最大峰值电流为240A, 试选用合适的电流传感器，并设计一个电流检测电路，将检测信号变换到0-5V的范围内。选用LEM公司生产的DHR-300-C5型霍尔电流传感器，该传感器检测电流范围为交直流0-300A，尖峰可以承受1000A电流。输出采用0-5VDC模
11、拟信号输出。转换带宽20-6000Hz，原副边绝缘电压4KV。满足要求。电路设计参考产品数据手册设计如图6。图6 霍尔电流传感器外围电路接线图四、电流斩波控制电路上面的开关磁阻电机，试设计一个电流斩波控制电路。在不同的速度范围内，电流斩波完成不同的功能，启动阶段通过逐步增大电流限值实现软启动，低速运行时，完成电流斩波控制。采用滞环比较器实现斩波控制，Ui为上面电流采集电路输出。Uref 由单片机控制系统通过DA芯片给出，滞环控制电路仅用于设定滞环电压差。滞环电压回差的选取涉及到实验调试，过小导致开关管不能跟随动作，过大导致输出不稳。我们以3V为例，计算器件参数。运放选用OP07采用15V正负电
12、源供电。则有：滞环回差 2UoR1R2+R1=6，取R1=1K，R2=4K。电流见图7。图7电流斩波控制电路五、无刷直流电机控制系统根据你所学过的微机原理、电子技术等知识，说说构造一个基于微机（如单片机）的无刷直流电机控制系统需要解决哪些实际问题，如何解决？第一，选择位置检测方式。若采用传统的位置传感器方式则较为简单，单片机只需要处理简单的高低电平逻辑即可，但如果采用无位置传感器的方式，则需要单片机参与数据的处理，这涉及到单片机运算速度及程序设计方面的问题。第二，涉及到电机控制调速则需要解决PID控制算法的相关问题，这一问题同上面的问题一样存在着单片机运算速度以及运算能力的制约。PID控制当中
13、，参数的选取是很重要同时也是很困难的部分，需要在计算的基础上多次试验得出。第三，单片机可以用来执行过流保护的工作，采用AD端口检测外部采样电阻的电压，若产生过流则封锁PWM输出，起到保护外电路的作用。第四，单片系统应有一定的人机交互能力，采用简单的按键和液晶显示屏实现人机交互的工作，显示基本的转速、电流、能耗等参数，附带转速设定，设计停机时间等功能。第五，单片机内部控制逻辑应清晰，正反转逻辑应计算清楚。第六，对于外部电路选择合适的电力电子产品，满足耐流、耐压、功率损耗的要求，合理设置散热装置，保证系统安全稳定运行。第七，保证强弱电系统有可靠的隔离，维护操作人员安全。六、致谢首先对孙老师对本人的谆谆教诲表示感谢。本文是本人的期末大作业，由于缺乏时间进行实验研究，本文借鉴了多篇文献资料，在此对原作者表示感谢。七、参考文献1 李天博，杨泽斌，孙运全，张新华开关磁阻电机功率变换器主电路研究农机化研究第5期2004,9 2 宏华开关型磁阻电动机调速控制技术M北京：机械工业出版社，19983 孙建忠，白凤仙特种电机及其控制北京：中国水利水电出版社，2005