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Electronic Control of Switched Reluctance Machines.pdf

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Preface
1 - Introduction
2 - Development history
3 - Electromagnetic energy conversion
4 - Designing for low noise
5 - Average torque control
6 - Instantaneous torque control
7 - Sensorless control
8 - Torque ripple control in a practical application
9 - Drive development and test
10 - The switched reluctance generator
Abbreviations
Acknowledgements
Index
Bibliography
P r e f a c e T h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e c o u l d b e s a i d t o h a v e a p i v o t a l r o l e i n t h e c h a n g e s i n e l e c t r i c m a c h i n e t e c h n o l o g y w h i c h h a v e b e e n t a k i n g p l a c e s i n c e t h e m i d - 1 9 6 0 s , w h e n d i g i t a l a n d p o w e r e l e c t r o n i c s a n d c o m p u t e r i z e d d e s i g n m e t h o d s s u d d e n l y s t a r t e d t o e x p a n d . A l t h o u g h t h e c o m m e r c i a l p r o d u c t i o n o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s i s s t i l l v e r y s m a l l , i t i s e a s y t o a p p r e c i a t e w h y i t g e n e r a t e s s o m u c h a t t e n t i o n . I t s i t s s q u a r e l y a t t h e c e n t r e o f t h e q u e s t f o r a n e w b a l a n c e b e t w e e n t h e c o p p e r a n d i r o n o f t h e m a c h i n e , a n d t h e s i l i c o n o f t h e d r i v e . A s n e w b o u n d a r i e s a r e u n f o l d i n g i n p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e s a n d d i g i t a l c o n t r o l , t h e o l d w o r l d o f t h e e l e c t r i c m a c h i n e h a s r e a c t e d w i t h n e w i n v e n t i o n s a n d a d a p t a t i o n s , g e n e r a l l y a l o n g c l a s s i c a l l i n e s . B u t t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e i n t r o d u c e s a n e w b a l a n c e , i n w h i c h t h e c o p p e r a n d i r o n a r e d i m i n i s h e d i n q u a n t i t y , c o m p l e x i t y , a n d c o s t , i n f a v o u r o f a g r e a t e r r e l i a n c e o n s o p h i s t i c a t i o n i n t h e c o n t r o l l e r . I n e v i t a b l y s u c h a f u n d a m e n t a l s h i f t p r o d u c e s s i d e e f f e c t s ( s u c h a s t h e a c o u s t i c n o i s e p r o b l e m ) a n d , i n t h e f a c e o f g r e a t t e c h n i c a l a n d c o m m e r c i a l c o m p e t i t i o n f r o m m o r e c o n v e n t i o n a l t e c h n o l o g i e s , t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e d r i v e h a s h a d l i m i t e d c o m m e r c i a l s u c c e s s . B u t i n e v e r y e x a m p l e o f s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f t h e t e c h n o l o g y , m a s t e r y o f t h e c o n t r o l h a s b e e n t h e k e y f a c t o r : t h e m o t o r s l o o k v e r y o r d i n a r y - i n d e e d t h a t i s t h e p o i n t a b o u t t h e m , s t r a i g h t f o r w a r d t o m a n u f a c t u r e a n d l o w i n c o s t . T h e l o g i c o f t h i s i s t h a t a s e l e c t r o n i c s p r o g r e s s e s s t i l l f u r t h e r , t h e o p p o r t u n i t i e s f o r s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r s a n d g e n e r a t o r s w i l l g r o w , a n d a l t h o u g h t h a t i s a l s o t r u e o f c o n v e n t i o n a l t e c h n o l o g i e s , n o n e o f t h e m a p p r o a c h e s t h e r a t i o o f a d d e d v a l u e b e t w e e n t h e e l e c t r o n i c s a n d t h e m a c h i n e w h i c h i s f o u n d i n t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e s y s t e m . S m a l l w o n d e r , t h e n , t h a t t h e p a t e n t i n g o f n e w i n v e n t i o n s i n t h i s f i e l d i s e x p a n d i n g a t a n e x t r a o r d i n a r y r a t e . W i t h t h i s b a c k g r o u n d t h e n e e d f o r a b a s i c i n t r o d u c t o r y t e x t o n t h e c o n t r o l o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s i s s e l f - e v i d e n t . T h e b o o k i s i n t e n d e d f o r e n g i n e e r s i n i n d u s t r y a n d i n t h e l a r g e r e s e a r c h c o m m u n i t y i n e l e c t r i c m a c h i n e s a n d d r i v e s . F o r a n y o n e e n g a g e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f r e l u c t a n c e - m o t o r d r i v e s y s t e m s i t i s h o p e d t h a t i t w i l l s e r v e a s a u s e f u l r e f e r e n c e w o r k . S i n c e i t i s w r i t t e n f r o m f i r s t p r i n c i p l e s , i t c a n b e u s e d f o r s t u d y i n g t h e s u b j e c t f r o m s c r a t c h , a l t h o u g h t h e r e a r e n o p r o b l e m s a n d o n l y a f e w s p e c i f i c w o r k e d e x a m p l e s , s o i t i s n o t i n t e n d e d a s a c o u r s e t e x t ( t h e s u b j e c t i s i n a n y c a s e t o o s p e c i a l i z e d f o r u n i v e r s i t y c o u r s e s ) . A b a s i c u n d e r s t a n d i n g o f t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r a n d i t s c o n t r o l c a n b e o b t a i n e d b y r e a d i n g o n l y C h a p t e r s 3 a n d 5 , w h i c h p r e s e n t t h e b a s i c e l e c t r o m a g n e t i c s , p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s , a n d c o n t r o l r e q u i r e m e n t s . C h a p t e r 4 i s r e c o m m e n d e d a s a n i n t r o d u c t i o n t o t h e n o i s e q u e s t i o n , a n d C h a p t e r s 6 a n d 8 a s e x a m p l e s o f t h e m a x i m u m
x i i P r e f a c e l e v e l s o f s o p h i s t i c a t i o n n o r m a l l y b r o u g h t t o b e a r i n t h e c o n t r o l l e r . F o r t h e h i s t o r y u p t o t h e p r e s e n t t i m e , i n c l u d i n g c o m m e n t s o n t h e s t a t u s o f p a t e n t s , r e a d C h a p t e r 2 ; f o r s e n s o r l e s s c o n t r o l , C h a p t e r 7 ; f o r t e s t m e t h o d s a n d e l e c t r o n i c i m p l e m e n t a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r , C h a p t e r 9 ; a n d f o r g e n e r a t o r o p e r a t i o n , C h a p t e r 1 0 . T h e b i b l i o g r a p h y c o n t a i n s o v e r 2 0 0 r e f e r e n c e s . R e f l e c t i n g t h e c o n t e n t s o f t h e b o o k , t h e s e c o v e r m u c h o f t h e e a r l y h i s t o r y t o g e t h e r w i t h a s e l e c t i o n o f m o r e r e c e n t a r t i c l e s . H o w e v e r , i t i s b y n o m e a n s c o m p r e h e n s i v e . T . J . E . M i l l e r
I n t r o d u c t i o n T . J . E . M i l l e r S P E E D L a b o r a t o r y , U n i v e r s i t y o f G l a s g o w i P i i i i i i W i i i i i i ! i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ! i 1 . 1 . 1 G e n e r a l d e f i n i t i o n A r e l u c t a n c e m o t o r i s a n e l e c t r i c m o t o r i n w h i c h t o r q u e i s p r o d u c e d b y t h e t e n d e n c y o f i t s m o v e a b l e p a r t t o m o v e t o a p o s i t i o n w h e r e t h e i n d u c t a n c e o f t h e e x c i t e d w i n d i n g i s m a x i m i z e d . T h e m o t i o n m a y b e r o t a r y o r l i n e a r , a n d t h e r o t o r m a y b e i n t e r i o r ( a s i n F i g u r e 1 . 1 ) o r e x t e r i o r . G e n e r a l l y t h e m o v e a b l e p a r t i s a s i m p l e c o m p o n e n t m a d e o f s o f t m a g n e t i c i r o n , s h a p e d i n s u c h a w a y a s t o m a x i m i z e t h e v a r i a t i o n o f i n d u c t a n c e w i t h p o s i t i o n . T h e g e o m e t r i c a l s i m p l i c i t y i s o n e o f t h e m a i n a t t r a c t i v e f e a t u r e s : s i n c e n o w i n d i n g s o r p e r m a n e n t m a g n e t s a r e u s e d , t h e m a n u f a c t u r i n g c o s t a p p e a r s t o b e l o w e r t h a n f o r o t h e r t y p e s o f m o t o r , w h i l e t h e r e l i a b i l i t y a n d r o b u s t n e s s a p p e a r t o b e i m p r o v e d . 1 . 1 . 2 S y n c h r o n o u s a n d s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r s T h e d e f i n i t i o n a b o v e i s b r o a d e n o u g h t o i n c l u d e b o t h t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r a n d t h e s y n c h r o n o u s r e l u c t a n c e m o t o r , F i g u r e 1 . 2 . T h e i d e a l i z e d f o r m s o f t h e s e m a c h i n e s a r e d e f i n e d a n d c o m p a r e d i n T a b l e 1 . 1 . B o t h m a c h i n e s a r e t h e s u b j e c t o f e x t e n s i v e a c a d e m i c a n d i n d u s t r i a l r e s e a r c h , b u t a r e n o t v e r y c l o s e l y r e l a t e d i n t h e l i t e r a t u r e o r t h e l a b o r a t o r y o r t h e f a c t o r y . 1 . 1 . 3 R e l a t i o n s h i p w i t h V R s t e p p e r m o t o r s T h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r i s t o p o l o g i c a l l y a n d e l e c t r o m a g n e t i c a l l y s i m i l a r t o t h e v a r i a b l e - r e l u c t a n c e s t e p p e r m o t o r ( A c a r n l e y , 1 9 8 2 ) . T h e d i f f e r e n c e s l i e i n t h e e n g i n e e r i n g d e s i g n , i n t h e c o n t r o l m e t h o d , a n d i n p e r f o r m a n c e a n d a p p l i c a t i o n c h a r - a c t e r i s t i c s . T h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r i s n o r m a l l y o p e r a t e d w i t h s h a f t - p o s i t i o n f e e d b a c k t o s y n c h r o n i z e t h e c o m m u t a t i o n o f t h e p h a s e c u r r e n t s w i t h p r e c i s e r o t o r p o s i t i o n s , w h e r e a s t h e s t e p p e r m o t o r i s n o r m a l l y r u n o p e n l o o p , i . e . w i t h o u t s h a f t - p o s i t i o n f e e d b a c k . W h e r e a s s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r s a r e n o r m a l l y d e s i g n e d f o r
2 I n t r o d u c t i o n F i g . 1 . 1 C r o s s - s e c t i o n o f f o u r - p h a s e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r w i t h 8 s t a t o r p o l e s a n d 6 r o t o r p o l e s . E a c h p h a s e w i n d i n g c o m p r i s e s t w o c o i l s , w o u n d o n o p p o s i t e p o l e s . F i g . 1 . 2 A x i a l l y l a m i n a t e d s y n c h r o n o u s r e l u c t a n c e m o t o r . T h i s i s a t r u e a . c . r o t a t i n g - f i e l d m o t o r . T h e s t a t o r a n d i t s p o l y p h a s e w i n d i n g a r e e s s e n t i a l l y t h e s a m e a s i n t h e i n d u c t i o n m o t o r , a n d t h e s u p p l y i s s i n u s o i d a l . e f f i c i e n t c o n v e r s i o n o f s i g n i f i c a n t a m o u n t s o f p o w e r , s t e p p e r m o t o r s a r e m o r e u s u a l l y d e s i g n e d t o m a i n t a i n s t e p i n t e g r i t y i n p o s i t i o n c o n t r o l s . 1 . 1 . 4 T e r m i n o l o g y T h e f i r s t u s e o f t h e t e r m s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r a p p e a r s t o h a v e b e e n b y S . A . N a s a r ( 1 9 6 9 ) t o d e s c r i b e a r u d i m e n t a r y s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r . I n t e r e s t i n g l y , N a s a r r e f e r r e d t o h i s m o t o r a s a d . c . m o t o r , w h i c h e c h o e s t h e ' b r u s h l e s s d . c . ' m o t o r . I n t h e U n i t e d S t a t e s t h e t e r m v a r i a b l e r e l u c t a n c e m o t o r ( V R m o t o r ) i s o f t e n p r e f e r r e d .
E l e c t r o n i c c o n t r o l o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s 3 T a b l e 1 . 1 C o m p a r i s o n o f s w i t c h e d a n d s y n c h r o n o u s r e l u c t a n c e m a c h i n e s S w i t c h e d r e l u c t a n c e S y n c h r o n o u s r e l u c t a n c e 1 . B o t h s t a t o r a n d r o t o r h a v e s a l i e n t p o l e s . 2 . T h e s t a t o r w i n d i n g c o m p r i s e s a s e t o f c o i l s , e a c h o f w h i c h i s w o u n d o n o n e p o l e . 3 . E x c i t a t i o n i s a s e q u e n c e o f c u r r e n t p u l s e s a p p l i e d t o e a c h p h a s e i n t u r n . 4 . A s t h e r o t o r r o t a t e s , t h e p h a s e f l u x - l i n k a g e s h o u l d h a v e a t r i a n g u l a r o r s a w t o o t h w a v e f o r m b u t n o t v a r y w i t h c u r r e n t . 1 . T h e s t a t o r h a s a s m o o t h b o r e e x c e p t f o r s l o t t i n g . 2 . T h e s t a t o r h a s a p o l y p h a s e w i n d i n g w i t h a p p r o x i m a t e l y s i n e - d i s t r i b u t e d c o i l s . 3 . E x c i t a t i o n i s a s e t o f p o l y p h a s e b a l a n c e d s i n e w a v e c u r r e n t s . 4 . T h e p h a s e s e l f - i n d u c t a n c e s h o u l d v a r y s i n u s o i d a l l y w i t h r o t o r p o s i t i o n b u t n o t v a r y w i t h c u r r e n t . H o w e v e r , t h e ' V R ' m o t o r i s a l s o a f o r m o f s t e p p e r m o t o r , s o t h i s t e r m d o e s n o t h i n g t o d i f f e r e n t i a t e t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r f r o m i t s c l o s e r e l a t i v e . W i d e s p r e a d u s e o f t h e t e r m s w i t c h e d r e l u c t a n c e i n c o n n e c t i o n w i t h t h e m o d e r n f o r m o f t h i s m o t o r i s n o d o u b t p a r t l y a t t r i b u t a b l e t o P r o f e s s o r L a w r e n s o n a n d h i s c o l l e a g u e s a t S R D r i v e s L t d ( n o w p a r t o f E m e r s o n E l e c t r i c ) , ( L a w r e n s o n e t a l . , 1 9 8 0 ) . T h e t e r m s b r u s h l e s s r e l u c t a n c e m o t o r a n d e l e c t r o n i c a l l y c o m m u t a t e d r e l u c t a n c e m o t o r h a v e a l s o b e e n u s e d o c c a s i o n a l l y t o u n d e r l i n e t h e f a c t t h a t t h e m o t o r i s b r u s h l e s s ( H e n d e r s h o t , 1 9 8 9 ; H a n c o c k a n d H e n d e r s h o t , 1 9 9 0 ) . T h e t e r m s w i t c h e d r e l u c t a n c e d o e s n o t m e a n t h a t t h e r e l u c t a n c e i t s e l f i s s w i t c h e d , b u t r e f e r s t o t h e s w i t c h i n g o f p h a s e c u r r e n t s , w h i c h i s a n e s s e n t i a l a s p e c t o f t h e o p e r a t i o n . T h i s s w i t c h i n g i s m o r e p r e c i s e l y c a l l e d c o m m u t a t i o n , s o e l e c t r o n i c a l l y c o m m u t a t e d r e l u c t a n c e m o t o r i s p e r h a p s a n e v e n m o r e p r e c i s e t e r m t h a n s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r . I t a l s o d r a w s a p a r a l l e l w i t h t h e e l e c t r o n i c a l l y c o m m u t a t e d p e r m a n e n t - m a g n e t m o t o r ( i . e . t h e s q u a r e - w a v e o r ' t r a p e z o i d a l ' b r u s h l e s s d . c . m o t o r ) . I n b o t h c a s e s t h e s w i t c h i n g p e r f o r m s a f u n c t i o n s i m i l a r t o t h a t o f t h e c o m m u t a t o r i n a d . c . m o t o r . 1 . 1 5 G e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s T h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r h a s n o m a g n e t s o r w i n d i n g s o n t h e r o t o r . T h i s i s b o t h a n a d v a n t a g e a n d a d i s a d v a n t a g e . O n t h e o n e h a n d , i t m e a n s t h e r o t o r i s o f s i m p l e c o n s t r u c t i o n a n d t h e c o s t s a n d p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h p e r m a n e n t m a g n e t s ( s u c h a s m a g n e t i z a t i o n a n d d e m a g n e t i z a t i o n ) a r e a v o i d e d . O n t h e o t h e r h a n d , t h e e x c i t a - t i o n p r o v i d e d b y m a g n e t s i s v e r y c o n s i d e r a b l e i n s m a l l m o t o r s , a n d t h i s l e a v e s t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e a t a d i s a d v a n t a g e . T h e r e l i a n c e o n a s i n g l e e x c i t a t i o n s o u r c e , c o u p l e d w i t h t h e e f f e c t s o f f r i n g i n g f i e l d s a n d m a g n e t i c s a t u r a t i o n , r e n d e r s t h e r e l u c t a n c e m o t o r n o n l i n e a r i n i t s c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c s . T o a c h i e v e p e r f o r m a n c e c o m p e t i t i v e w i t h t h a t o f o t h e r m o d e r n m o t o r t y p e s , i t i s g e n e r a l l y n e c e s s a r y t o c o n t r o l t h e c u r r e n t w a v e f o r m s e l e c t r o n i c a l l y : o t h e r w i s e t h e e f f i c i e n c y , t h e n o i s e l e v e l , a n d t h e u t i l i z a t i o n o f c o n v e r t e r v o l t - a m p e r e s c a n b e d i s a p p o i n t i n g . I n t h e p a s t 3 0 y e a r s o r s o t h e d e v e l o p m e n t o f d i g i t a l a n d p o w e r e l e c t r o n i c s h a s m a d e i t p o s s i b l e t o e x p l o i t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f r e l u c t a n c e m a c h i n e s s u f f i c i e n t l y w e l l s o t h a t s e v e r a l s u c c e s s f u l p r o d - u c t s a r e n o w m a n u f a c t u r e d , a n d t h e r e c o n t i n u e s t o b e a s u b s t a n t i a l r e s e a r c h e f f o r t i n t o t h e d e v e l o p m e n t o f n e w o n e s .
4 , I n t r o d u c t i o n B e f o r e a b o u t 1 9 6 5 , t h e v a r i a b l e - r e l u c t a n c e p r i n c i p l e w a s u s e d f o r m a n y y e a r s i n v a r i o u s d e v i c e s , a n d t h e r i c h i n v e n t i v e h i s t o r y o f t h e s e m a c h i n e s i s r e f l e c t e d i n C h a p t e r 2 a l l t h e w a y b a c k t o t h e d a w n o f e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g , b e f o r e 1 8 4 0 . W h e n t h e p o w e r t r a n s i s t o r a n d d i g i t a l i n t e g r a t e d c i r c u i t s b e c a m e a v a i l a b l e , n e w d e s i g n s w e r e d e v e l o p e d w i t h i m p r o v e d p e r f o r m a n c e . T h e f u n d a m e n t a l t h e o r y o f r e l u c t a n c e m o t o r s w a s e x t e n d e d , a n d t h e d e s i g n p r o c e s s w a s h e l p e d b y t h e d e v e l o p m e n t o f e f f i c i e n t f i n i t e - e l e m e n t a n d s i m u l a t i o n s o f t w a r e . D u r i n g t h e d e v e l o p m e n t p e r i o d o f t h e m o d e r n s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e , s i n c e a b o u t 1 9 6 5 , o t h e r c o m p e t i n g t y p e s o f e l e c t r i c m a c h i n e a n d d r i v e s y s t e m h a v e a l s o m a d e g r e a t p r o g r e s s : p a r t i c u l a r l y i n d u c t i o n m o t o r s w i t h f i e l d - o r i e n t e d c o n t r o l a n d b r u s h l e s s p e r m a n e n t - m a g n e t m o t o r s a n d d r i v e s . B o t h t h e s e t y p e s a r e p r o d u c e d i n f a r g r e a t e r n u m b e r s t h a n s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r s , a n d f o r a w i d e r r a n g e o f a p p l i c a t i o n s . T h i s i s u n l i k e l y t o c h a n g e s i g n i f i c a n t l y , a n d t h e r e l u c t a n c e m a c h i n e w i l l m o s t l i k e l y r e m a i n a s p e c i a l t y m a c h i n e c h o s e n f o r i t s s p e c i a l a d v a n t a g e s . L i k e t h e o t h e r m a c h i n e s , i t s h a r e s t h e m o d e m c h a r a c t e r i s t i c o f m e c h a n i c a l s i m p l i c i t y c o m b i n e d w i t h e l e c t r o n i c s o p h i s t i c a t i o n . i ~ i ~ ~ { i ~ i ~ < i i i i ~ i i i ! ~ i ! j i i i { i ~ i ! i J i i i { i i i P ~ i i ~ { i ] i i i i ~ i i i i ~ i i i ~ i ~ { i i i i i i i ~ i ~ i i i i ~ { i { i i i i i i i i i ~ i i i i ~ i ~ ' : i i " i l i i i i i i i i i i i i ! ! ! i i i i i i i i i i i i i i ~ l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l i { i i i i i i i i ! i i i i i i i f { i i { i ! { i i i ! { i i i i ! i { i i T h e p u r p o s e o f t h i s b o o k i s t o p r e s e n t a n u p - t o - d a t e a c c o u n t o f s o m e o f t h e m a i n c o n t r o l t e c h n i q u e s a p p l i e d t o s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s . T o o m u c h h a s h a p p e n e d i n t h e p a s t 1 0 - 1 5 y e a r s t o b e r e c o r d e d i n a s i n g l e b o o k , b u t o n t h e o t h e r h a n d t h e s u b j e c t o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s h a s l i t t l e c o v e r a g e i n t e x t b o o k s a n d o n l y o n e ( M i l l e r , 1 9 9 3 ) i s d e v o t e d e x c l u s i v e l y t o t h e s u b j e c t . T h e b o o k i s m a i n l y a b o u t c o n t r o l , a n d c o n t a i n s l i t t l e o n t h e m a c h i n e d e s i g n o r t h e c a l c u l a t i o n o f i t s p e r f o r m a n c e . I t i s a l s o f o c u s e d o n ' m a i n s t r e a m ' c o n t r o l t e c h n i q u e s a n d d o e s n o t b e g i n t o d o j u s t i c e t o t h e e n o r m o u s v a r i e t y o f s p e c i a l i n v e n t i o n s , a l t h o u g h i t c a n b e o b s e r v e d t h a t m o s t o f t h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n s o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s t o d a t e a r e m o r e o r l e s s ' c o n v e n t i o n a l ' i n t h e i r b a s i c c o n f i g u r a t i o n . T h e r e v i e w i n C h a p t e r 2 s p a n s t h e e n t i r e h i s t o r y f r o m t h e b e g i n n i n g o f t h e a g e o f e l e c t r i c m a c h i n e r y . R e l u c t a n c e m a c h i n e s w e r e a m o n g t h e f i r s t t y p e s t o b e i n v e n t e d a n d a p p l i e d , a n d t h e i r h i s t o r y i s i n t e r e s t i n g a s a m i n o r t h e m e i n t h e g e n e r a l d e v e l o p - m e n t o f e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g , a n d i m p o r t a n t i n l a y i n g t h e f o u n d a t i o n s o f t h e m o d e r n s u b j e c t . I n t h e m i d - 1 9 6 0 s r e l u c t a n c e m a c h i n e t e c h n o l o g y r e c e i v e d a n e w s t i m u l u s w i t h t h e i n v e n t i o n o f t h e p o w e r t r a n s i s t o r - s o m u c h s o t h a t t h e p r e v i o u s e r a a p p e a r s b y c o m p a r i s o n t o h a v e b e e n o n e o f a l m o s t c o m p l e t e d o r m a n c y . I n C h a p t e r 3 t h e e l e c t r o m a g n e t i c p r i n c i p l e s a r e r e v i e w e d a l o n g c l a s s i c a l l i n e s . T h e o v e r s i m p l i f i e d m a g n e t i c a l l y l i n e a r m o d e l i s u s e d t o p r o v i d e a s t r u c t u r e f o r u n d e r - s t a n d i n g t h e c o m m u t a t i o n o f t h e p h a s e s , a n d t h e m a g n e t i c a l l y n o n l i n e a r m o d e l i s t h e n d e v e l o p e d t o b r i n g o u t t h e e n e r g y c o n v e r s i o n c a p a b i l i t i e s a n d e x p l o r e t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . C h a p t e r 4 p r e s e n t s a n e x a m p l e o f a m o t o r d e s i g n e d f o r l o w n o i s e , t o g e t h e r w i t h s o m e o f t h e f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s u s e d i n t h e r e d u c t i o n o f a c o u s t i c n o i s e . I t s l o c a t i o n i n t h e b o o k r e f l e c t s t h e b a s i c i m p o r t a n c e o f a t t e n t i o n t o t h e n o i s e p r o b l e m , a s i n m a n y o t h e r b r a n c h e s o f e n g i n e e r i n g , b u t i t a l s o e x e m p l i f i e s a m o d e m i n v e n t i o n , t h e s t a g g e r - t o o t h m o t o r T M , w h i c h ( a m o n g m a n y o t h e r s ) r e f l e c t s t h e c o n t i n u i n g i n n o v a t i o n
E l e c t r o n i c c o n t r o l o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s 5 i n t h e f i e l d o f r e l u c t a n c e m a c h i n e s i n s p i t e o f t h e m a t u r i t y o f t h e u n d e r l y i n g c o n c e p t s . T h i s c h a p t e r a l s o a c t s a s a p i v o t b e t w e e n t h e e a r l i e r c h a p t e r s , w h i c h a r e d o m i n a t e d b y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a c h i n e , a n d t h e l a t e r c h a p t e r s , w h i c h a r e a l m o s t w h o l l y C o n c e r n e d w i t h t h e d r i v e a n d i t s c o n t r o l a l g o r i t h m s . F o r m o s t o f C h a p t e r 4 i t i s a s s u m e d t h a t t h e c o n t r o l l e r i s a n a v e r a g e t o r q u e c o n t r o l l e r . T h e a c c o u n t o f e l e c t r o n i c c o n t r o l s t a r t s i n e a r n e s t i n C h a p t e r 5 a t t h e s i m p l e s t l e v e l o f a v e r a g e t o r q u e c o n t r o l , w h i c h i s c o n c e r n e d w i t h t h e c o n t r o l o f t h e c u r r e n t w a v e f o r m t h r o u g h a s m a l l n u m b e r o f p a r a m e t e r s s u c h a s t h e t u r n - o n a n d t u r n - o f f a n g l e s a n d t h e c u r r e n t r e f e r e n c e . T h i s l e a d s n a t u r a l l y t o C h a p t e r 6 w h i c h e x p l o r e s t h e p o s s i b i l i t i e s f o r i n s t a n t a n e o u s t o r q u e c o n t r o l , t o a s s e s s t h e p o t e n t i a l o f t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r a s a s e r v o m o t o r i n c o m p a r i s o n w i t h a n i n d u c t i o n m o t o r w i t h f i e l d - o r i e n t e d c o n t r o l . H e r e t h e o b j e c t i v e s a r e t o p r o d u c e s m o o t h t o r q u e a n d r a p i d d y n a m i c r e s p o n s e , w h i l e o v e r c o m i n g t h e n a t u r a l n o n l i n e a r i t i e s o f t h e m a c h i n e f r o m a c o n t r o l p o i n t o f v i e w . C h a p t e r 7 i s a c o m p r e h e n s i v e r e v i e w o f s e n s o r l e s s c o n t r o l m e t h o d s . T h e d e v e l o p - m e n t o f c o n t r o l s w h i c h a v o i d t h e u s e o f p h y s i c a l s h a f t p o s i t i o n s e n s o r s f o r c o m m u t a t i o n h a s b e e n a s t r o n g t h e m e i n t h e d e v e l o p m e n t o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e s , p a r t l y b e c a u s e o f t h e p e r c e p t i o n t h a t e n c o d e r s a n d r e s o l v e r s a r e c o s t l y , a n d p a r t l y a r i s i n g f r o m t h e q u e s t f o r m a c h i n e s t h a t c a n s u r v i v e e x c e p t i o n a l l y h o s t i l e e n v i r o n m e n t s . T h e s u b j e c t o f s e n s o r l e s s c o n t r o l t h e r e f o r e i n c l u d e s ' l o w - c o s t ' e m b o d i m e n t s w i t h t h e s m a l l e s t p o s s i b l e p a r t c o u n t , a n d m o r e s o p h i s t i c a t e d s c h e m e s w i t h a p p r e c i a b l e c o m p u t a t i o n a l s o p h i s t i c a t i o n . C h a p t e r 8 d e s c r i b e s a p a r t i c u l a r e x a m p l e o f a d r i v e s y s t e m d e s i g n e d f o r v e r y l o w t o r q u e r i p p l e a n d l o w a c o u s t i c n o i s e , w i t h e x a c t i n g d y n a m i c c o n t r o l r e q u i r e m e n t s i n a m a c h i n e w i t h h i g h t o r q u e d e n s i t y , d e v e l o p e d f o r a n e l e c t r i c a l l y a s s i s t e d a u t o m o t i v e s t e e r i n g s y s t e m . U n l i k e C h a p t e r 4 w h i c h i s b u i l t o n a n e l e c t r o m a g n e t i c i n v e n t i o n , t h i s s y s t e m i s b u i l t o n e l e c t r o n i c i n v e n t i o n a n d u s e s a m o r e o r l e s s c o n v e n t i o n a l s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r , w h i c h i t t r e a t s a s a ' b l a c k b o x ' . T h e s o p h i s t i c a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r i s b r o u g h t o u t t h r o u g h t h e m a t h e m a t i c a l d e v e l o p m e n t o f t h e c o n t r o l t h e o r y a n d a s y s t e m m o d e l . C h a p t e r 9 d e s c r i b e s m e t h o d s f o r s y s t e m d e v e l o p m e n t a n d t e s t , a t a d e t a i l e d e l e c - t r o n i c s l e v e l , a n d C h a p t e r 1 0 s p e c i a l i z e s t h e d i s c u s s i o n t o t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e a s a g e n e r a t o r . T h e g e n e r a t i n g c a p a b i l i t y o f t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m a c h i n e i s l e s s w i d e l y k n o w n t h a n t h e m o t o r i n g c a p a b i l i t y , a n d t h e r e i s m o r e d e s i g n f r e e d o m a r i s i n g f r o m t h e a b s e n c e o f s e l f - s t a r t i n g r e q u i r e m e n t s . A s a ' f a u l t - t o l e r a n t ' s y s t e m i t h a s c o n s i d e r a b l e a p p e a l , a n d t h i s a s p e c t i s i n v e s t i g a t e d .
i J ! i ~ ! ! D e v e l o p m e n t h i s t o r y A n t o n y F . A n d e r s o n ! i i i i i i i i i i i i ~ i i i i i ~ @ i i i i i i i i i i i i i i l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l f l i i i i i i i i i i ~ i ! I i i i i i ~ i l i i ~ i ~ l l t ! l i i i i i / i i i i i ~ i ~ i ~ i ~ i l ~ # . . i : . . . . ~ i ~ i ~ l = > . : : ® ~ £ ~ " . . . . . . . . . . . . . ~ ~ ` ~ £ g ~ . ~ i ~ . ~ i ~ i ~ ! ~ i ~ : ~ i ~ i ~ : ' : . ~ i . . ' . : ~ i ~ : : ~ i . ~ : : ~ : : ~ : : ~ : : ~ : : . . ' . : ~ . . . ` . . i ~ . . . , . : i : . ` . . ~ ! I ~ . , . : . . . ~ . : ~ i ~ : , . . ~ . ~ : ~ ` ~ , ~ . ` ~ . ~ > ~ . . . . . . . . . . . . . l l f . ! ~ - ~ . . . - " . ~ . . ' , ' . ~ . i l ~ i ~ . ~ . ' . - - . . . . . . l l i ~ . . . ' . . . ~ . . - ' ~ . : . , . @ ~ l i ~ . ~ e : ~ . : ~ . ~ . ~ T h e d e v e l o p m e n t o f s e m i c o n d u c t o r r e c t i f i e r a n d p o w e r s w i t c h i n g t e c h n o l o g y i n t h e e a r l y 1 9 6 0 s l e d t o i t s r a p i d a n d s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n t o v a r i a b l e s p e e d d r i v e s . F e w o f t h e s e d r i v e s y s t e m s w e r e n e w i n p r i n c i p l e , b u t c e r t a i n s y s t e m e l e m e n t s - s u c h a s m o t o r g e n e r a t o r s e t s , m e r c u r y a r c c o n v e r t e r s , m a g n e t i c a m p l i f i e r s e t c . - c o u l d n o w b e r e p l a c e d b y s o l i d - s t a t e e l e c t r o n i c s , t h a t p e r f o r m e d t h e s a m e f u n c t i o n s w i t h c o n s i d e r a b l e c o s t a n d p e r f o r m a n c e b e n e f i t s . T h e e x i s t e n c e o f s o l i d - s t a t e p o w e r s w i t c h i n g t e c h n o l o g y a l s o s t i m u l a t e d a n i n t e r e s t i n p o s s i b l e a l t e r n a t i v e a n d s i m p l e r m o t o r / c o n t r o l c o n f i g u r a - t i o n s , o f w h i c h t h e s w i t c h e d - f i e l d r e l u c t a n c e m o t o r , l o n g o u t o f f a v o u r , w a s o n e . I n t h e l a s t 3 0 y e a r s a v a r i e t y o f c o n f i g u r a t i o n s o f r e l u c t a n c e m o t o r a n d s w i t c h i n g m e t h o d s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d , b o t h t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y . V a r i o u s f o r m s o f s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r b a s e d o n t h e m o s t s i g n i f i c a n t p a t e n t s a r e n o w m a n u f a c - t u r e d u n d e r l i c e n c e . A c c o r d i n g t o o n e s o u r c e , 6 7 p a t e n t s w e r e p u b l i s h e d w o r l d w i d e o n s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r s b e f o r e 1 9 7 6 a n d 1 7 5 5 b e t w e e n 1 9 7 6 a n d t h e e n d o f 1 9 9 9 . ~ T h e s a m e s o u r c e e s t i m a t e s t h e t o t a l n u m b e r o f p a p e r s p u b l i s h e d b e f o r e 1 9 7 6 t o b e 1 1 a n d b e t w e e n 1 9 7 6 a n d t h e e n d o f 1 9 9 9 t o b e 1 8 4 7 . T h e s t a t i s t i c s c e r t a i n l y s u g g e s t t h a t b y f a r t h e g r e a t e s t a c a d e m i c a n d i n d u s t r i a l a c t i v i t y o n s w i t c h e d - f i e l d r e l u c t a n c e m o t o r s h a s t a k e n p l a c e p o s t 1 9 7 6 , b u t t h e f i g u r e s d o n o t i n a n y w a y d o j u s t i c e t o t h e q u a l i t y a n d s i g n i f i c a n c e o f t h e w o r k c a r r i e d o u t p r i o r t o t h a t d a t e . T h e a p p a r e n t l a c k o f e a r l i e r m a t e r i a l s u g g e s t e d b y t h e s e f i g u r e s a r i s e s f o r t w o r e a s o n s . F i r s t l y , e a r l i e r p a t e n t s a n d p a p e r s h a v e h a d p l e n t y o f t i m e t o g e t b u r i e d a n d f o r g o t t e n . S e c o n d l y , r e l e v a n t m a t e r i a l t e n d s t o b e f o u n d i n a v a r i e t y o f u n l i k e l y p l a c e s . I t i s w o r t h n o t i n g a l s o t h a t t h e n u m b e r o f p a t e n t s , w h i l s t i t m a y w e l l g i v e s o m e i n d i c a t i o n o f i n t e r e s t i n t h e s u b j e c t , w i l l n o t n e c e s s a r i l y b e a r a n y r e l a t i o n s h i p t o t h e i m p o r t a n c e o f t h e w o r k c a r r i e d o u t : e a r l i e r w o r k , a l t h o u g h m u c h l e s s p l e n t i f u l , i s m o r e l i k e l y t o c o n t a i n s i g n i f i c a n t e l e m e n t s o f i n n o v a t i o n . P r i o r i t y i n t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r f i e l d i s b y n o m e a n s c l e a r c u t , b e c a u s e t h e s w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r h a s a v e r y l o n g , a n d l a r g e l y f o r g o t t e n p r e - h i s t o r y , w i t h a m u l t i p l e i n h e r i t a n c e f r o m d . c . a n d a . c . m o t o r , s t e p p e r m o t o r a n d i n d u c t o r a l t e r - n a t o r a n c e s t o r s , n o t t o m e n t i o n a n i n h e r i t a n c e f r o m o t h e r e l e c t r o m a g n e t i c d e v i c e s , 1 F l e a d h E l e c t r o n i c s D a t a b a s e o f S w i t c h e d R e l u c t a n c e M o t o r P a t e n t s a t : h t t p : / / w w w . f l e a d h . c o . u k
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