CN101814879A - 一种双n拍运行的开关磁阻电动机调速装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，开关磁阻电动机的相数N＞2，转子可以定位在任意设定转角；在启动信号作用下，模拟开关把转速给定值接通，输出给给定积分电路；给定积分电路的输出和启动信号经过调节器一路输出给比较电路，另一路输出给绝对值变换器；比较电路获得的正/反向运行信号和控制电路输出信号同时送到转矩给定器上，转矩给定器产生相应的转矩幅值的给定值，最后作用到电动机的相绕组上；电动机上装有编码器做的角位移传感器，需要时可做成宽范围的调速装置对输出的转速进行闭环控制。该开关磁阻电动机调速系统转速波动小；功率逆变电路中功率元件和电动机相绕组的功耗小；其设计合理、实现简单且运行稳定。

Description

一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电动机，具体的说涉及一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置。
背景技术
三相开关磁阻电动机调速装置已相当成熟，其产品得到了广泛的应用。该装置3个相绕组顺序导通，相位相差
Figure B2009100782489D0000011
为了消除转动时死角，如图1所示，两相邻相绕组的导通有一重叠角α，通常
Figure B2009100782489D0000012
一相的总导通角为
Figure B2009100782489D0000013
与直流或变频调速装置相比较，开关磁阻电动机的转子结构简单牢靠，转动惯量小；电动机中电磁转矩大，效率高；缺点方面，除了绕组和传感器连线比较多以外，则是电磁转矩的产生机制比较复杂，转矩的脉动较大；在低速运行时，失去了惯性转矩的补偿作用，转速有明显的波动。
开关磁阻电动机调速装置发展到目前，已用了两方面措施来减小转矩脉动：一是电动机角位移传感器改用编码器制作，使得换相控制更加精确，而且转速反馈信号的响应更加快；二是对相绕组电流实行分相的闭环控制，减小两相邻相绕组同时通电时相互间影响，控制起来也更加灵活。
采用了这两方面措施后，定/转子凸极数为12/8的三相开关磁阻电动机的最低转速已达10转/分左右，而最高转速一般仍为2000转/分，亦即调速范围最大为1∶200。
从改进电动机转子凸极结构着手，本公司推出了一种新的N相开关磁阻电动机，只要两相邻相绕组同时适当通电，转子总的复位转矩就可以近似地符合正弦波规律，幅值基本不变，且转子可以定位于任意的转角。
后来在建立了一种开关磁阻电动机定位系统的基础上，本公司又陆续申请了专利：1、一种新的开关磁阻电动机调速装置；2、一种宽范围的开关磁阻电动机调速装置。
所用这些装置和系统，都采用新的开关磁阻电动机和两相邻相绕组同时通电的运行方式，每相绕组的电气总导通角为
Figure B2009100782489D0000021
两相邻相间有的重叠角，当N＝3时，3相的导通波形如图2所示，每相的总导通角和两相邻相间的重叠角分别为和
Figure B2009100782489D0000024
两相邻相绕组同时通电时，每相总导通角较大，带来的缺点是；功率逆变电路中功率元件和电动机相绕组的功耗较大，所以本发明对此进行了新的改进。
发明内容
本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，包括开关磁阻电动机、控制电路、编码器、f/v转换电路和反馈信号合成电路。开关磁阻电动机是转子可以定位在任意设定转角的电动机，电动机相数N＞2，各相的磁路独立，可分相控制绕组中电流；电动机电磁转矩的脉动很小，能输出极低的转速；在启动信号作用下，模拟开关把转角给定值接通，输出给给定积分电路；给定积分电路的输出和启动信号经过调节器一路输出给比较电路，另一路输出给绝对值变换器；比较电路获得的正/反向运行信号和控制电路输出同时送到转矩给定器上，转矩给定器产生相应的转矩量，最后作用到电动机的相绕组上，从而控制开关磁阻电动机转速；角位移传感器上带有编码器，将角位移量编码后分别送给转矩给定器、f/v转换电路和反馈信号合成电路，反馈信号合成电路将f/v转换电路的输出信号和编码器输出信号合成后输出到调节器，对输出的转角或位移进行闭环控制。
所述一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其电动机转子凸极的结构特殊，在一个相绕组中通以电流时，转子复位转矩的矩角特性近似地符合正弦波规律。
所述一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其单相绕组通电和两相邻相绕组同时通电交替进行，两种导通的电角度皆为
Figure B2009100782489D0000031
导通期间的电流一般恒定。假设单相通电时产生幅值为MK的转矩，两相邻相同时通电时，则各产生幅值为
Figure B2009100782489D0000032
的转矩，两相邻相间空间上相位相差
Figure B2009100782489D0000033
电角度，因此总转矩的波形和幅值与单相通电时一样，只是相位相差
Figure B2009100782489D0000034
电角度。
所述一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，表示转角间隔的脉冲列来自电动机的角位移传感器，当电气失调角等于
Figure B2009100782489D0000035
时，单相通电的电动机获得幅值为MK的转矩，两边各有
Figure B2009100782489D0000036
的单相导电角，每相绕组的总导通角为
Figure B2009100782489D0000037
所述一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，假定K为电动机转矩对MK的比值，则K的变化范围是在单/双相通电交界处
Figure B2009100782489D0000039
此处
Figure B2009100782489D00000310
随N增大而增大，在N＝3、4和6时，分别等于0.866、0.924和0.966。
所述一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其反馈信号是用电流传感器测得的电流，各相的转矩幅值由转矩给定器给出后，利用M/I转换或者I/M转换，直接或间接构成电流闭环。
所述一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其转速控制采用转矩脉动较小的调速装置，需要消除掉剩余的转矩脉动时，转矩给定器输出的转矩幅值给定应先除以K，这样就变成一种新的宽范围的开关磁阻电动机调速装置。
本发明的有益效果是：该开关磁阻电动机伺服系统在低速运行时，转速波动小；功率逆变电路中功率元件和电动机相绕组的功耗小；其设计合理、实现简单且运行稳定。
附图说明
图1一般3相开关磁阻电动机绕组的导通波形图。
图2原专利两相邻相同时通电的3相绕组的导通波形图。
图3本发明双3拍运行时3相绕组的导通波形图。
图4本发明转速控制的方框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图3所示为本发明双3拍运行时3相绕组的导通波形图。
如图4所示一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，包括开关磁阻电动机、控制电路、编码器、f/v转换电路和反馈信号合成电路。开关磁阻电动机是转子可以定位在任意设定转角的电动机，电动机相数N＞2，各相的磁路独立，可分相控制绕组中电流；电动机电磁转矩的脉动很小，能输出极低的转速；在启动信号作用下，模拟开关把转角给定值接通，输出给给定积分电路；给定积分电路的输出和启动信号经过调节器一路输出给比较电路，另一路输出给绝对值变换器；比较电路获得的正/反向运行信号和控制电路输出同时送到转矩给定器上，转矩给定器产生相应的转矩量，最后作用到电动机的相绕组上，从而控制开关磁阻电动机转速；角位移传感器上带有编码器，将角位移量编码后分别送给转矩给定器、f/v转换电路和反馈信号合成电路，反馈信号合成电路将f/v转换电路的输出信号和编码器输出信号合成后输出到调节器，对输出的转角或位移进行闭环控制。
本发明开关磁阻电动机上装有编码器做的角位移传感器，电动机相数N＞2，各相磁路独立，可分相控制绕组中电流，转子凸极的结构是特殊的，在一个相绕组中通以电流时，转子复位转矩的矩角特性近似地符合正弦波规律。
本发明采用双N拍运行方式，交替地单相绕组通电和两相邻相绕组同时通电，导通的电角度皆为
Figure B2009100782489D0000051
两种导通期间的电流一般恒定，假设单相通电时产生幅值为MK的转矩，两相邻相同时通电时，则各产生幅值为
Figure B2009100782489D0000052
的转矩，两相邻相间空间上相位相差
Figure B2009100782489D0000053
电角度，因此总转矩的波形和幅值与单相通电时一样，只是相位相差
Figure B2009100782489D0000054
电角度。
本发明中，表示转角间隔的脉冲列来自电动机的角位移传感器，各绕组周期性地换相通电，当电气失调角等于
Figure B2009100782489D0000055
时，单相通电的电动机获得幅值为MK的转矩，两边各有
Figure B2009100782489D0000056
的通电角。
单相导通的角度为
Figure B2009100782489D0000057
加上两边的两相邻相同时导电的
Figure B2009100782489D0000058
后，相绕组的总导通角为要比始终两相邻相同时导电时的
Figure B2009100782489D00000510
小倍。
电动机的电磁转矩存在着脉动，假定K为转矩对MK的比值，则K的变化范围是
Figure B2009100782489D00000512
此处
Figure B2009100782489D00000513
随N增大而增大，在N＝3、4和6时，分别等于0.866、0.924和0.966，可见转矩脉动不大。
本发明对绕组电流实行分相的闭环控制，反馈信号是用电流传感器测得的电流。各相的转矩由转矩幅值给定器给出后，或者先M/I转换，直接构成电流闭环；或者先把反馈电流信号I/M转换，间接构成电流闭环。
所述一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其转速控制采用转矩脉动较小的调速装置，需要消除掉剩余的转矩脉动时，转矩给定器输出的转矩幅值给定应先除以K，这样就变成一种新的宽范围的开关磁阻电动机调速装置。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，包括开关磁阻电动机、控制电路、编码器、f/v转换电路和反馈信号合成电路；其特征在于：开关磁阻电动机是转子可以定位在任意设定转角的电动机，电动机相数N＞2，各相的磁路独立，可分相控制绕组中电流；电动机电磁转矩的脉动很小，能输出极低的转速；在启动信号作用下，模拟开关把转角给定值接通，输出给给定积分电路；给定积分电路的输出和启动信号经过调节器一路输出给比较电路，另一路输出给绝对值变换器；比较电路获得的正/反向运行信号和控制电路输出同时送到转矩给定器上，转矩给定器产生相应的转矩量，最后作用到电动机的相绕组上，从而控制开关磁阻电动机转速；角位移传感器上带有编码器，将角位移量编码后分别送给转矩给定器、f/v转换电路和反馈信号合成电路，反馈信号合成电路将f/v转换电路的输出信号和编码器输出信号合成后输出到调节器，对输出的转角或位移进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：电动机转子凸极的结构特殊，在一个相绕组中通以电流时，转子复位转矩的矩角特性近似地符合正弦波规律。
3.根据权利要求1所述的一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：单相绕组通电和两相邻相绕组同时通电交替进行，两种导通的电角度皆为
Figure F2009100782489C0000011
导通期间的电流一般恒定；假设单相通电时产生幅值为MK的转矩，两相邻相同时通电时，则各产生幅值为
Figure F2009100782489C0000012
的转矩，两相邻相间空间上相位相差
Figure F2009100782489C0000013
电角度，因此总转矩的波形和幅值与单相通电时一样，只是相位相差
Figure F2009100782489C0000014
电角度。
4.根据权利要求1所述的一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：表示转角间隔的脉冲列来自电动机的角位移传感器，当电气失调角等于
Figure F2009100782489C0000021
时，单相通电的电动机获得幅值为MK的转矩，两边各有
Figure F2009100782489C0000022
的单相导电角，每相绕组的总导通角为
Figure F2009100782489C0000023
5.根据权利要求1所述的一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：假定K为电动机转矩对MK的比值，则K的变化范围是
Figure F2009100782489C0000024
在单/双相通电交界处
Figure F2009100782489C0000025
此处
Figure F2009100782489C0000026
随N增大而增大，在N＝3、4和6时，分别等于0.866、0.924和0.966。
6.根据权利要求1所述的一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：反馈信号是用电流传感器测得的电流，各相的转矩幅值由转矩给定器给出后，利用M/I转换或者I/M转换，直接或间接构成电流闭环。
7.根据权利要求1所述的一种双N拍运行的开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：转速控制采用转矩脉动较小的调速装置，需要消除掉剩余的转矩脉动时，转矩给定器输出的转矩幅值给定应先除以K，这样就变成一种新的宽范围的开关磁阻电动机调速装置。
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