1、 .PAGE54 / NUMPAGES58開關磁阻電動機驅動系統設計摘要開關磁阻電機作為上世紀80年代出現的一種新型機電一體化系統，具有非常優良的性能和廣泛的應用發展前景。與傳統的交、直流調速系統相比，開關磁阻電機既保留了感應電機的絕大部分優點，而且具有控制器簡單、運行可靠性高、控制靈活方便和價格便宜等突出特點。而近來，隨著電力電子技術和計算機技術的高速發展，開關磁阻電機驅動系統也與時俱進，日趨先進，在電動車、航空工業、家用電器和機械傳動領域都有成功的應用，成為電氣傳動領域的新勢力。 本次論文主要對開關磁阻電動機的驅動系統進行設計，以80C196KC單片機作為控制核心，得出基于位置傳感器檢測和

2、電流檢測的控制方案。論文的理論基礎是開關磁阻電動機的理想線性數學模型，通過研究開關磁阻電動機的控制特性、可控角、關斷角、相電流、繞組端電壓與控制策略之間的關系，進行系統的硬件電路和系統控制軟件的設計。論文通過對開關磁阻電動機驅動系統的每一個環節的設計，實現了電機的方便的正、反轉控制和制動控制，并設計了比較完備的電流和電壓保護環節，以保證系統的可靠運行。關鍵詞:開關磁阻電機；開關磁阻電機驅動系統；控制系統；位置傳感器；80C196KCABSTRACTSwitched reluctance motor as a new type of mechatronic systems appeared at

3、 the 80s of last century, with very good performance and wide application prospects.Comparing with the traditional AC and DC speed control systems, switched reluctance motor has retained most of the advantages of the induction motor, but also the controller is simple, reliable, flexible and inexpens

4、ive control and other prominent feature.And recently, with the the rapid development of power electronics technology and computer technology, switched reluctance motor drive systems becoming more advanced, Has been successfully applied to the electric car, the aviation industry, household appliances

5、 and mechanical drive system and become a new force in the field of electric drive. This paper focuses on the switched reluctance motor drive system which designed to Intel 80C196KC MCU As the core of control, location-based sensor and obtained current detection control program. The theoretical basi

6、s of this paper is ideal linear switched reluctance motor model, by studying the control characteristics of switched reluctance motor, controllable angle, turn-off angle, phase current, the winding terminal voltage and the relationship between the control strategy, then the systemof hardware and sys

7、tem control software design.This paper by designing every aspect of switched reluctance motor, implementation of the motor which is easy turn t and brake , and then design a more complete link current and voltage protection to ensure reliable operation of the system.KeyWords: Switched Reluctance Mot

8、or; SRD; Control system; Position sensor; 80C196KC目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295826419第1章緒論 PAGEREF _Toc295826419 h 1HYPERLINK l _Toc2958264201.1課題背景 PAGEREF _Toc295826420 h 1HYPERLINK l _Toc2958264211.2 SR電機與SR電機驅動系統概述 PAGEREF _Toc295826421 h 1HYPERLINK l _Toc2958264221.2.1SR電機的基本結構與工作原理 PA

9、GEREF _Toc295826422 h 1HYPERLINK l _Toc2958264231.2.2SR電動機的特點 PAGEREF _Toc295826423 h 2HYPERLINK l _Toc2958264241.3國外SR電機驅動系統的研究現狀與發展趨勢 PAGEREF _Toc295826424 h 2HYPERLINK l _Toc2958264251.3.1SR電動機的發展概況 PAGEREF _Toc295826425 h 2HYPERLINK l _Toc2958264261.3.2SRD系統概述 PAGEREF _Toc295826426 h 3HYPERLINK

10、l _Toc2958264271.3.3SR電機的未來研究方向 PAGEREF _Toc295826427 h 3HYPERLINK l _Toc2958264281.4課題研究的主要容與意義 PAGEREF _Toc295826428 h 4HYPERLINK l _Toc295826429第2章 SR電機的數學建模與控制策略分析 PAGEREF _Toc295826429 h 5HYPERLINK l _Toc2958264302.1引言 PAGEREF _Toc295826430 h 5HYPERLINK l _Toc2958264312.2 SR電機的基本方程 PAGEREF _Toc

11、295826431 h 5HYPERLINK l _Toc2958264322.1.1電壓方程 PAGEREF _Toc295826432 h 5HYPERLINK l _Toc2958264332.2.2 磁鏈方程 PAGEREF _Toc295826433 h 5HYPERLINK l _Toc2958264342.2.3機械運動方程 PAGEREF _Toc295826434 h 6HYPERLINK l _Toc2958264352.2.4轉矩公式 PAGEREF _Toc295826435 h 6HYPERLINK l _Toc2958264362.3SR電動機的理想線性模型分析 P

12、AGEREF _Toc295826436 h 6HYPERLINK l _Toc2958264372.3.1SR電動機的理想線性模型 PAGEREF _Toc295826437 h 6HYPERLINK l _Toc2958264382.3.2相繞組磁鏈方程 PAGEREF _Toc295826438 h 7HYPERLINK l _Toc2958264392.3.3相繞組的電流方程 PAGEREF _Toc295826439 h 8HYPERLINK l _Toc2958264402.3.4 電磁轉矩 PAGEREF _Toc295826440 h 9HYPERLINK l _Toc2958

13、264412.4SR電機的控制策略 PAGEREF _Toc295826441 h 10HYPERLINK l _Toc2958264422.4.1SR電機的基本運行特性 PAGEREF _Toc295826442 h 10HYPERLINK l _Toc2958264432.4.2SR電動機的起動 PAGEREF _Toc295826443 h 11HYPERLINK l _Toc2958264442.4.3SR電動機運行控制 PAGEREF _Toc295826444 h 11HYPERLINK l _Toc295826445第3章 SRD系統的設計原理 PAGEREF _Toc29582

14、6445 h 12HYPERLINK l _Toc2958264463.1 SR電動機的換相原理 PAGEREF _Toc295826446 h 12HYPERLINK l _Toc2958264473.2 SRD控制系統原理 PAGEREF _Toc295826447 h 12HYPERLINK l _Toc2958264483.2.1 速度給定單元 PAGEREF _Toc295826448 h 12HYPERLINK l _Toc2958264493.2.2轉子位置檢測單元 PAGEREF _Toc295826449 h 13HYPERLINK l _Toc2958264503.2.3

15、數字速度PI調節器 PAGEREF _Toc295826450 h 15HYPERLINK l _Toc2958264513.2.4 電流檢測環節 PAGEREF _Toc295826451 h 15HYPERLINK l _Toc2958264523.2.5 電流和電壓斬波控制調節器 PAGEREF _Toc295826452 h 16HYPERLINK l _Toc2958264533.2.6綜合邏輯控制單元 PAGEREF _Toc295826453 h 16HYPERLINK l _Toc2958264543.2.7功率變換器 PAGEREF _Toc295826454 h 16HYP

16、ERLINK l _Toc2958264553.3 80C196KC單片機簡介 PAGEREF _Toc295826455 h 16HYPERLINK l _Toc295826456第4章 SRD系統硬件電路設計 PAGEREF _Toc295826456 h 18HYPERLINK l _Toc2958264574.1系統概述 PAGEREF _Toc295826457 h 18HYPERLINK l _Toc2958264584.2位置檢測電路 PAGEREF _Toc295826458 h 19HYPERLINK l _Toc2958264594.3低速電流斬波器 PAGEREF _To

17、c295826459 h 19HYPERLINK l _Toc2958264604.4高速電壓斬波電路 PAGEREF _Toc295826460 h 20HYPERLINK l _Toc2958264614.5故障檢測電路 PAGEREF _Toc295826461 h 20HYPERLINK l _Toc2958264624.6邏輯綜合電路 PAGEREF _Toc295826462 h 21HYPERLINK l _Toc2958264634.7功率主電路 PAGEREF _Toc295826463 h 22HYPERLINK l _Toc2958264644.8 參數顯示與外部接口電路

18、 PAGEREF _Toc295826464 h 23HYPERLINK l _Toc2958264654.9系統總電路圖 PAGEREF _Toc295826465 h 23HYPERLINK l _Toc295826466第5章軟件控制 PAGEREF _Toc295826466 h 24HYPERLINK l _Toc2958264675.1概述 PAGEREF _Toc295826467 h 24HYPERLINK l _Toc2958264685.2主程序模塊 PAGEREF _Toc295826468 h 25HYPERLINK l _Toc2958264695.3起動控制模塊 P

19、AGEREF _Toc295826469 h 26HYPERLINK l _Toc2958264705.4位置中斷模塊 PAGEREF _Toc295826470 h 27HYPERLINK l _Toc2958264715.5控制算法模塊 PAGEREF _Toc295826471 h 28HYPERLINK l _Toc2958264725.6轉速PI調節模塊 PAGEREF _Toc295826472 h 29HYPERLINK l _Toc2958264735.7定時器中斷模塊 PAGEREF _Toc295826473 h 29HYPERLINK l _Toc2958264745.8

20、故障保護與處理模塊 PAGEREF _Toc295826474 h 29HYPERLINK l _Toc295826475第6章總結 PAGEREF _Toc295826475 h 31HYPERLINK l _Toc295826476參考文獻 PAGEREF _Toc295826476 h 32HYPERLINK l _Toc295826477附錄 PAGEREF _Toc295826477 h 33HYPERLINK l _Toc295826478翻譯部分 PAGEREF _Toc295826478 h 34HYPERLINK l _Toc295826479致 PAGEREF _Toc29

21、5826479 h 53第1章 緒 論1.1課題背景開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）作為上世紀80年代出現的一種新型機電一體化系統，具有非常優良的性能和廣泛的應用發展前景。與傳統的交、直流調速系統相比，開關磁阻電機既保留了感應電機的絕大部分優點，而且具有控制器簡單、運行可靠性高、控制靈活方便和價格便宜等突出特點。而近來，隨著電力電子技術和計算機技術的高速發展，開關磁阻電機驅動系統也與時俱進，日趨先進，在電動車、航空工業、家用電器和機械傳動領域都有成功的應用，成為電氣傳動領域的新勢力。11.2SR電機與SR電機驅動系統概述1.2.1SR電機的基本結構

22、與工作原理開關磁阻電動機傳動系統（SRD）是上世紀八十年代新型調速系統，通過與日趨先進的電力電子技術與計算機控制技術相結合，具有許多顯著的優點，在電氣傳動領域得到了越來越多的應用。SR電動機（三相6/4極）的結構原理如下圖所示，在SRD系統中起到機電能量轉換的作用。SR電動機為雙凸極結構，定子與轉子由硅鋼片疊壓而成，定子徑向相對的繞組可并聯或串聯成一相。常見的電機主要有三相6/4極與四相8/6極。圖1-1 三相6/4極電動機結構原理圖SR電動機的基本工作原理是磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合“磁阻最小原理”。當定子的某一相通電時產生的磁場由于磁力線扭曲而產生旋轉力矩，使轉子旋轉到磁阻最小的位置。

23、結合圖1-1，當C相通電時，由磁阻最小原理可知，磁力線扭曲產生的旋轉力矩將帶動轉子轉動，使轉子1-3極軸線與定子的CC極軸線對齊；接著，C相斷電，B相通電，使轉子順時針轉過30,使轉子的2-4極極軸線與定子的BB相極軸線對齊；B相斷電，A相通電，轉子順時針轉過30，使轉子1-3極軸線最終與定子AA極軸線對齊，這樣，一個周期，轉子轉過90，當定子按C-B-A-C.的順序通電，電機沿順時針方向旋轉。反之，若按C-A-B-C.給定子通電，則電機逆時針旋轉。由上分析易知，SR電機的旋轉方向至于定子繞組的通電順序有關，而與通電電流的方向無關。11.2.2SR電動機的特點開關磁阻電機在結構和控制原理上面的

24、特點使得其與其它種類的傳統電機相比，具有以下優點：（1）結構簡單，成本較低。SR電動機的突出優點就是定、轉子皆由硅鋼片疊壓而成，定子上也只有簡單的繞組，結構簡單，制造成本低。此外，與同樣性能的其他一些交流調速系統相比，SR電動機功率變換器的拓撲結構也較簡單，開關元器件的數目較少，每相可以僅使用一個，這極減少了功率變換器的成本。這樣，整個SR電動機調速系統的成本在交流調速領域有很強的競爭力。（2）可控參量多，調速性能較好。開關磁阻電動機的主要參控方法有控制開通角、關斷角，控制相電流幅值和控制相繞組電壓等多種。SR電機各相之間無互感，而且每相電流的導通、關斷和電流大小皆可獨立控制，這讓其性能與直流

25、電機調速系統相近，可以在四象限運行，能實現特定要求的調速控制。由于SR電動機的驅動系統的控制器是以微處理器為核心的，因而可以通過改變控制系統軟件實現電機的運行特性的改變，無需改變控制系統硬件，這是相對其他種類電機的顯著優點，便于智能化。（3）效率高，工作可靠。SR電機在廣泛的轉速、功率圍皆具有高效率。此外，簡單可靠的功率電路的使用，避免了直通短路現象，這樣可以簡化功率電路的保護電路，減低成本的同時，極大的提高了整個SRD系統的可靠性，降低了運行維護所需的人力物力，提高了市場競爭力。 （4）適用圍廣。SR電機的功率圍很廣，能從幾瓦到數兆瓦，而且能適用與頻繁起停和正反轉速運行的機械系統，在各種惡劣

26、環境下的可靠性都很高，在電動車、航空工業以與一些精密的伺服系統中都得到了廣泛的應用。當然，SRD系統也存在一些不足，如存在轉矩脈動、震動和噪聲較大以與出線較多，需要不斷的改善。31.3國外SR電機驅動系統的研究現狀與發展趨勢1.3.1SR電動機的發展概況SR電機的淵源可以19世紀40年代，當時有科學家利用兩個U型電磁鐵制造了電動車，由蓄電池供電，但受限于當時的機械開關控制性能較差，電動機的性能不高。進入20世紀，隨著大功率晶閘管的問世，SR電機的研究進入了新紀元。從1967年起，英國Leeds大學開始了對SR電機的深入研究。這項研究表明SR電機相對于同容量的其他感應電機，在單向電流下四象限運行

27、時，其功率變換器所用的開關數是最少的，結構簡便，成本也低。這些優勢為SR電機的發展打下了基礎。20世紀70年代，美國福特公司研制出了具有電動機運行狀態和寬廣調速圍的SR電動機調速系統，并將其應用到了利用蓄電池供電的電動車輛上。1983年英國的TASC公司推出第一代通用的SR電機調速產品，此后，國外電氣傳動領域紛紛推出了其商品化的磁阻電機產品。其功率從10w到50MW，轉速圍從10rpm到100000rpm，轉矩圍從0.1Nm到1000000Nm，而系統功率變換電路所采用的開關元件有GTO、MOSEF、IGBT等，控制更加靈活、準確，控制器所采用的微處理器有8位機、16位機一直到32位機，功能愈

28、加完善極大的擴大了SR電機的應用圍。其中比較典型的有英國SRDLtd公司推出的第二代SR電機，其功率和轉速圍相對于TASC的Oulton系列產品有了顯著的提高。此外，英國ALLENWEST公司、BJD公司、加拿大semifusion公司等都分別制造出了一系列生產實踐性能很好的產品。17 我國從20世紀80年代初開始進行SRD的研究，經過十幾年的努力，許多高等學校和科研院、所在SRD研制、開發領域辛勤耕耘，起步雖然較晚，但在借鑒國外經驗的基礎上發展速度很快，目前已經研制出多種性能優良的調速系統，廣泛應用于煤礦的采煤機、地鐵汽車牽引、龍門刨床、抽絲機、高檔洗衣機等，解決了許多傳統電機調速系統難以解

29、決的技術難題。1.3.2SRD系統概述SRD系統是上世紀80年代時期發展起來的新型調速系統，其基本構成如下：電源功率變換器SR電動機外接負載位置檢測電流檢測控制信號控制器在這個控制系統中，SR電動機實現機電能量的轉換。SRD系統的發展是建立在電力電子技術和微控技術發展的基礎上的。早期的SR電動機主開關器件主要用SCR。但是SCR沒有自關斷功能，這使得強迫關斷的電路控制復雜且開關速度較慢，此外成本也較高，顯然，這樣的功率變換器控制性能是不理想的。GTR和GTO都屬于電流控制型器件，GTO開關頻率不高且門極控制較復雜，而GTR得驅動電路消耗功率較大。MOSFET相對工作頻率更高，開關速度較快，適合

30、小功率、低壓的SR電動機的功率變換器的開關器件。IGBT兼具GTR飽和壓降低和MOSFET控制端輸入阻抗高的優勢，驅動電路簡單且工作頻率較高，是較理想的中、小型SR電動機的功率變換器的主開關元件。而對高壓、大功率的SR電動機，可選擇MCT做主開關元件。MCT是晶閘管和MOSFET的復合元件，具有工作頻率高，電流密度大，易驅動，易控制等優點。本次設計的主電路采用IGBT為主開關元件。11.3.3SR電機的未來研究方向SRD系統經過幾十年的發展，性能愈加完善，未來的研究工作主要集中在以下幾個方面：（1）無位置傳感器的SRD系統。位置檢測器是SR電機的必備元件，但是它的使用使得結構簡單的SR電機變得

31、復雜，降低了運轉的可靠性，因而探索實用的無位置傳感器的檢測方案是當前備受注目的課題。目前研究較多的是通過采集定子繞組的瞬態的電感信息，進而實現無位置檢測器控制方案，但實際應用還任重而道遠。（2）振動和噪聲的控制。SR電機采用的是脈沖供電，使得電機具有一定的瞬時轉矩波動，特別是在低轉速時步進狀態明顯，振動和噪聲都較大。此外高速、重載時振動和噪聲也較大。怎樣通過電機設計和控制策略的優化，有效地抑制轉矩波動和噪聲，使SRD系統具有低速平穩運行且有靜態轉矩保持能力，這是需要進一步研究的。（3）綜合智能應用。隨著現代微控技術的發展，ASIC和高性能的DSP都開始得到了從分的利用，怎樣利用日趨先進的微控技

32、術，實現具有動態性能高、抗干擾能力強、智能化程度高的高智能化的SRD系統控制是近期研究的熱點。3171.4課題研究的主要容與意義隨著社會的快速發展，電動機調速系統中在國民經濟中占有舉足輕重的地位，它的使用滲透到了社會各行各業。老式的磁阻電機效率、功率因數和功率密度都很低，因而適用領域受到了很大的限制。于是，將磁阻電機與電子器件相結合的開關磁阻電機應運而生。SRD作為新興的機電一體化調速系統，具有很多傳統電機調速系統難以比擬的優勢。因此，研究出實用性強、性價比高、動態性能好和抗干擾能力強的SRD系統對社會發展具有重要意義。本設計的主要是利用80C196KC為核心設計出通用化、標準化、智能化的開關

33、磁阻電機驅動系統，因而在相應開關器件的選擇如何做到性價比最高，單片機控制策略的實現以與相應控制程序的設計以與電路原理圖的設計是本次畢業設計的難點。第2章 SR電機的數學建模與控制策略分析2.1引言SR電機的結構比較簡單，但由于定子采用雙凸極結構，繞組電流是非線性的，此外，由于磁路的飽和、渦流和磁滯效應皆會產生非線性，這樣，就造成定子繞組的磁通、電流波形不規則，難以用傳統的分析方法進行分析計算。但是，電機部的電磁過程仍然是建立在基本的電磁定律上的，可據此求得SR電機的基本方程式。常見的求解方法有線性模型、準線性模型、和非線性模型。對于非線性模型，雖可建立一個非常精確的數學模型，但磁路的飽和渦流的

34、計算非常繁瑣，工程實際意義卻并不大。因此，我們在這里采用線性模型，雖然精度較低，但亦可清楚的表示出電機的基本特性與各種參量之間的關系，可作為探討控制方法的依據 。2.2 SR電機的基本方程對于一個m相的SR電機，在忽略鐵心損耗，且假定各相的結構和參數對稱，這樣，SR電機可看成具有一個機械端口和m對電端口的電氣裝置。據此，可得到各種基本方程如下：2.1.1電壓方程據基本的電路定律可知，SR電機某相（k相）的電壓平衡方程：uk = Rkik+ （2-1）在此式中：uk第k相繞組端電壓； Rk 第k相繞組電阻； ik第k相繞組電流；第k相繞組的磁鏈。2.2.2 磁鏈方程 SR電機中某相繞組的磁鏈是該

35、相電流與自感、其余相電流與互感和轉子位置角的函數，但各相之間的互感相對自感小得多，簡便起見，SR電機的計算中一般省略互感，磁鏈方程為：=Lk（k，ik）ik (2-2)式中，每相電感Lk是該相電流 ik與轉子位置角k的函數，將該式帶入式（2-1）中可得：.(2-3)從上式中可看出，電源電壓與三部分壓降相等。第一項是電阻壓降；第二項是電流變化而感應的電動勢，又稱變壓器電動勢；第三部分是轉子位置改變引起的磁鏈變化而產生的感應電動勢，即運動電動勢。2.2.3機械運動方程 SR電動機運行時，在電磁轉矩和負載轉矩的作用下，轉子的機械運動方程如下： (2-4)在上式中，表示電磁轉矩，J表示系統的轉動慣量，

36、表示摩擦系數，表示負載轉矩。2.2.4轉矩公式SR電動機的電磁轉矩可由下式求得： (2-5)在上式中，表示繞組的磁共能。 上述SR電動機的數學模型完整、準確地描述了其電磁和力學關系，但是由于電路與磁路的非線性因素，準確計算的工作量很大且計算非常困難。2.3SR電動機的理想線性模型分析2.3.1SR電動機的理想線性模型由上節易知，SR電機的非線性模型的計算是非常困難的，本次設計需要我們掌握SR電動機部的基本電磁關系與基本特性，不需復雜的精確計算，故我們可對理想的線性模型進行研究。理想的線性模型需要作如下假設：（1）忽略電流大小對繞組電感的影響，忽略磁路的飽和影響；（2）半導體開關器件的開關動作是

37、瞬時的，即導通和關斷時壓降皆為零；（3）主電路電源的直流電壓(士Us)恒定；（4）忽略磁通的邊緣效應，忽略所有的功耗；（5）電動機的轉速恒定。 滿足以上假設條件的電機模型就是理想的線性模型，電機相繞組電感L隨著轉子的位置角呈周期變化，如下圖2-1所示：LmaxL（）LminOu23a45 圖2-1相繞組電感曲線 如上圖2-1中所示，以定子極軸線和轉子凹槽中心重合的位置為基準點，即坐標原點，以轉子位置角為橫坐標。=u=0時，相電感最小，為Lmin;轉子轉過半個極距角（/Nr）時，定子的磁極軸線與轉子的凸極中心對齊，此時相電感達到最大值，為Lmax。這樣，隨著定子和轉子的不斷重疊和分離，相電感在最

38、小值和最大值之間線性地上升和下降，變化周期為轉子極距r，正比于轉子極數。在圖2-1中，u為定子和轉子不對齊的位置；2為轉子凸極剛開始與定子磁極發生重疊的位置；3為轉子凸極與定子磁極的臨界重疊位置；a位置的電感最大；4為轉子凸極剛要與定子磁極脫離完全重疊的位置；5轉子凸極剛好與定子磁極完全脫離。這樣，可得到SR電動機的相繞組電感與轉子的位置角關系如下：u2時，L（）=Lmin；23時，L（）=Lmin+k（-2）； 34時，L（）=Lmax；45時，L（）=Lmax-k（-4）；在上式中，k=（Lmax- Lmin）/(3-2) =（Lmax- Lmin）/s。s為定子磁極極弧。2.3.2相繞組

39、磁鏈方程 SR電動機其中一相繞組的由恒定直流電源Us供電，這一相電路的電壓方程為： Us = iR+在上式中，+、-分別對應于繞組通電期與電源關斷后繞組的續流期。由于是理想的線性模型，忽略所有功耗，故上式可以簡化為： （2-6）式中，=表示轉子的角速度。 在開關合閘瞬間，此時，0=0；=on，on為定子繞組電源接通時轉子與定子的相對位置角，即為開通角，則由式2-6可知通電段的磁鏈表達式為： (2-7) 當=off時，電源關斷，off為關斷角，此時磁鏈達到最大值： (2-8)上式中，op=off-on,表示一相繞組的開通角。 而根據是2-6Us取-時，可得到續流期間的磁鏈為; (2-9)這樣，就

40、可得出SR電動機理想線性模型下磁鏈隨轉子位置角的變化曲線如下圖2-2所示：maxOonoff2off-onoff-onoff-on 圖2-22.3.3相繞組的電流方程 將式2-6改寫成如下形式： (2-10) 在轉速、電壓一定時，繞組的電流只與轉子位置角和初始條件有關，下面分段進行研究分析：在u2時，L=Lmin，初始條件為i（on）=0,解得： (2-11) 此段區域，電感恒為，電流直線上升。在2off時，L（）=Lmin+k（-2）；根據電壓方程并代入初始條件可求出： (2-12)對應的電流變化率： (2-13) 由上式易得，當on2-Lmin/k時，di/d2-Lmin/k時，di/d0

41、，則電流將繼續上升。不同的on可以形成不同的相電流波形。（3）在off3區域，主開關元件關斷，繞組進入續流期。此時，電流的解析式如下： (2-14)(4) 在34區域，電流解析式如下： (2-15)(5)在42offon5區域，電流解析式為： (2-16) 這樣，以上各式構成了一個完整的電流解析式，它是電源電壓、電機幾何尺寸、電機轉速和轉子位置角的函數。在電壓和轉速恒定的時，電流波形與開通角on、關斷角off、最小電感Lmin、最大電感Lmax以與定子極弧s有關。 由此可看出，主開關開通角on在控制電流大小方面作用明顯。當on減小時，電流峰值和電流波形的波寬將增大；主開關關斷角off對電流波形

42、寬度有影響，off增大時，電流波形變寬，但它對電流峰值沒影響；此外，電流大小與直流供電電壓成正比，與電機的轉速成反比，啟動時常采用電流斬波控制進行限流。這些，都是電動機驅動系統設計的原理基礎。2.3.4 電磁轉矩電機的電磁轉矩也是分段的，假定電機的磁路不飽和，根據電感的分段解析式可得電磁轉矩的解析式分列如下：u2時，Te=0；23時，Te =1/2Ki2； 34時，Te =0；45時，Te =-1/2Ki2。 從上式中易看出，電磁轉矩的大小與電流的平方成正比。在電感曲線上升的階段，繞組電流產生正向轉矩；在電感曲線下降的階段，繞組電流產生制動轉矩，這也是關斷角的選取需要顧與的地方，一般取電感上升

43、區域的中間位置。2.4SR電機的控制策略2.4.1SR電機的基本運行特性SR電動機在給定外施電壓Us且開通角on、關斷角off固定時，電動機的轉矩、功率和轉速的關系與直流電動機的串勵特性類似。但在轉速較低時，電流。轉矩都有極限值，其基本的機械特性如下圖2-3所示：TO恒轉矩區恒功率區串勵特性區CCC方式APC方式c固定12 圖2-3SR電動機基本機械特性（1）恒轉矩區。對于給定的SR電動機，它在恒轉矩區能達到的最大轉速為1，此時，SR電動機的功率也是最大的，1稱為第一臨界轉速。在低速運行時，由于電機的平均電磁轉矩Tav與相電流的平方成正比，為了獲得恒轉矩特性，限制電流不超過允許值，常采用電流斬

44、波控制，即CCC（Chopped Current Control）控制。CCC控制的方法是固定開通角on、關斷角off，通過斬波控制外施電壓。CCC控制分為啟動斬波模式、定角度斬波模式與變角度斬波模式三種。啟動斬波模式在SR電動機啟動時采用，通常固定on、off，導通角op取一個較大的值，以便在得到大的啟動轉矩的同時又能限制相電流峰值；定角度斬波模式常在電機啟動后低速運行時采用，op不變但相對較小；變角度斬波模式通常在電機中速運行是采用。CCC控制通常有以下幾種方法實現斬波：限制電流上、下幅值；電流上限和關斷時間給定；PWM斬波調壓控制。本次設計采用電流上限和關斷時間給定的方法，即將相電流i與

45、給定電流Imax比較，當iImax時，控制功率開關關斷一段時間，一個周期的關斷時間是恒定的。這種控制方式最大的優點是簡單容易實現，但對關斷時間的選取要適宜，以防止“過斬”或斬波頻率過高。（2）恒功率區。在恒功率區，保持外施條件不變時，增大時，Tav將隨著2下降。在第一臨界速度以上1、第二臨界速度2以下，為獲得恒功率特性，采用角度位置控制，即APC(Angular Position Control)控制，保持外施電壓不變，調節開通角on和關斷角off，常采用固定關斷角off、改變開通角on的控制方式。一般選offa,且op/2。（3）串勵特性區。當轉速繼續增加，可控條件達到極限，轉矩不再隨轉速的

46、平方下降，此時，SR電動機呈串勵特性。 在SR電動機控制方式實際運用時，一般低速時采用CCC控制，高速時采用APC控制，在中速時采用CCC控制和APC控制方式結合來進行控制。這種組合控制方式提高了電動機的控制性能。12.4.2SR電動機的起動 SR電動機啟動時有兩種起動方式，即一相通電起動和兩相通電起動。本次設計所采用的是四相8/6極SR電動機，采用兩相起動方式。相對于一相起動方式，兩相起動增大了電動機的啟動轉矩，消除了起動死區，同時兩相起動的轉矩脈動減小，起動所需的電流幅值也更低。2.4.3SR電動機運行控制（1）正反轉控制 SR電機的運行需兩個條件：一是使轉子運轉的轉矩，二是有相應相序的控

47、制信號。由前面2.3節的分析易知，每相繞組的通電區域由開通角on和關斷角off所在區段來決定。若通電區段位于0的區段，產生正轉矩；若通電區段位于UAC即V+V-時，LM339輸出Vl為高電平，此時，與此相對應相的主功率開關導通;反之，若UrefUAC即V+V-時，則Vl變為低電平，則可得與非門CD4011輸出V2變為高電平，單穩態觸發器CD4098的輸入端V3變為低電平，單穩態觸發器將工作，其輸出端OUTAC為低電平且將持續時間Tl，對應相主功率開關關斷Tl時間。如果在Tl時間Vl變為高電平，則在Tl終止時刻，OUTAC恢復高電平，主功率開關元件導通；如果在T1時間Vl一直為低電平，則OUTA

48、C繼續處于關斷狀態直到Vl為高電平為止，如此循環反復就構成一個斬波調節控制。圖中的CHOPLOCK信號由80C196KC的PI.0端口給出，在SR電動機進入高速運行后，不進行電流斬波控制時將其置為低電平，使HCF4098處于復位狀態不工作輸出端呈高電平。同時還將此引腳作為故障處理的一個控制端。圖4-3低速電流斬波電路4.4高速電壓斬波電路SR電動機進入高速運行階段后，則控制方式就要切換到變角度的電壓斬波制方式。電壓斬波的實質是進行PWM調節，通過對PWM波的占空比的調節進而實現組端平均電壓的調節和速度閉環控制。PWM方案的選擇在充分發揮CPU潛力的同時，要兼顧功率開關器件的工作頻率，在功率開關

49、允許的圍提高PWM波的頻率能降低SRM的振動和噪聲。80C196KC一共提供了6個HSO端口引腳，其中兩個引腳與HSI口復用。每個輸出口可以獨立輸出，且不受事件寫入先后順序的影響，只要事件到了觸發時間，對應的數據線便能夠輸出規定的電平。如果HSO高速交替輸出高低電平，則它本生就是輸出PWM信號，不用新增控制線便能實現電壓斬波控制；若HSO根據位置傳感器信號的變化來確定輸出高低電平則它就是角度控制信號了。因為HSO端口的時間寄存器是16位的，可以將PWM波做到最高具有16位分辨率，與硬件PWM線(8位寄存器)相比，可以大大提高PWM占空比的分辨率，僅從這一點上講它可以提高PWM的控制精度。通過在

50、程序中改變HSO復位定時器2事件的觸發時間，也就改變了PWM的頻率，有利于實現不同功率開關對PWM頻率的要求，提高了控制頻率的靈活性。4.5故障檢測電路SRD系統的故障檢測電路，是系統正常運行的可靠保障，主要有過電壓保護和過熱保護，其基本電路如下：圖4-4過電壓檢測電路 圖4-5過熱保護電路如上圖4-4所示為過電壓檢測電路，當直流側電源電壓Uss過高時，該電路將通過P0.0口向單片機發出故障信號。圖4-5所示為過熱保護電路，使用AD590溫度傳感器，這種傳感器的精密度較高，無需溫度補償，且抗干擾能力較強。AD590埋設在開關元件和整流橋的散熱片上面，用電阻R64見輸出的電流信號轉化為電壓信號，

51、用電位器W來設定保護值，兩者相比較，判斷是否過熱。當過熱時，過熱信號通過P0.1送入單片機，使單片機發出故障信號，防止過高溫度下電機被燒壞。4.6邏輯綜合電路 邏輯綜合電路的輸出信號經光電隔離后，送入到功率放大器的驅動電路，驅動相應的IGBT產生動作。下面以A相為例，說明邏輯綜合電路的控制原理。圖4-6 A相邏輯綜合電路 如上圖4-6所示，當HSO.0、IAC和故障輸入信號都為高電平時，TLP521的輸入端截止，A相EXB841導通。4.7功率主電路本次設計采用電容分壓型主電路其電路圖4-7如下所示： 圖4-7功率主電路在圖中易看出，該功率變換器的每相只需要一個開關器件和一個續流二極管，它們上

52、下交替排布。電路在低速時采用CCC控制方式，高速時采用APC控制。電路由三相工頻交流電經全波整流后供電，其直流供電電壓平均值約為513V。圖中，Rb是合閘時的保護電阻，避免在合閘時的浪涌電流過沖擊濾波電容。電機啟動合閘，Rb被切除。VT和R21組成一個制動放電電路，當電容過電壓故障時，VT導通，電容能量能釋放到R21上，保護電容不被擊穿，而當SR電動機制動運行時，VT和R21為繞組的電能回饋提供了可靠路徑。電容C1、C2起濾波和分壓的作用。電阻R22和R23能平衡電容C1、C2上的電壓，同時在整個系統關閉時對電容放電。1交流電源的整流電路選用可選用Eupec公司生產的TT B6C 135 N三

53、相全控整流橋（1600V/137A），濾波電容選用兩只3900F/400V的電解電容串聯構成雙電源。主開關器件選用MID300-12和MD300-12各兩只。SR電動機的過載峰值電流約為147A，該IGBT電流額定值Ic為300A，Vces為1200V，滿足要求。驅動電路選用富士公司的EXB841混合驅動模塊。如下圖4-8所示，這是選用的驅動電路圖， 圖4-8驅動電路圖4.8 參數顯示與外部接口電路顯示電路是人機交流的重要途徑，而未接電路用來為輸入命令和數據以對SR電動機的運行狀態進行干預和控制，同時將SR電動機的轉速n、開通角on、關斷角off以與繞組電流等重要參數顯示出來。本次設計選用由8

54、279顯示接口芯片構成的鍵盤顯示電路，以實現數據輸入和起動、停車、制動等命令的執行與運行信息顯示。因為8279單個芯片就能實現鍵盤輸入和LED顯示控制功能，自動消除開關抖動，對顯示器自動進行掃描和按鍵識別，從而節省了微處理器的運算時間，很大程度上提高了CPU的工作效率。4.9系統總電路圖系統總的電路圖見附錄。在總圖中，只畫了A、C相的邏輯綜合電路，C、D相的邏輯綜合電路與此類似，在圖中未畫出。電壓保護電路的輸出由P1.1口輸出。當過電壓時，P1.1口輸出電壓保護信號，經光電隔離后輸入到VT的驅動電路入口，如總圖中所示，進而實現過壓保護。第5章 軟件設計5.1概述在前文中，已對系統的硬件系統進行

55、了完整的設計，但硬件系統要想運行速度快，且控制精確，亦離不開合理、完善的軟件支持。SRD系統最主要的控制容是起、停轉控制、轉速控制和保護控制。而對SR電動機的進行轉速控制，就是通過調節輸出轉矩和負載相平衡，使其在功率允許圍的任何負載轉矩情況下，使SR電動機穩定在給定轉速。在不同的轉速圍需要采用不同的控制方法，以滿足不同的調速需要。為了實現SRD系統對調速的要求，且實現各種高性能控制，軟件系統應滿足以下要求：（1）電機起動時無起動死區，起動轉矩倍數大于1.5；（2）能在線準確計算并穩定顯示電動機的時機轉速；（3）據本次電動機參數，應能實現轉速在50-2000rpm之間連續可調，在50-1500r

56、pm圍恒轉矩運行，在1500-2000rpm圍能實現恒功率穩定運行；（4）能夠判斷故障源，并能在顯示器上顯示出來；（5）能通過按鍵實現起、停控制，并能預置轉速，實現人機對話。為了滿足以上要求，我們需制訂以下控制策略：在低速啟動階段（0-50rpm），為實現SR電動機快速可靠的起動，采用兩相全開通方式。在每相繞組電感上升區段的30區間完全導通相繞組，根據轉子位置信號與對應相電感變化的曲線可知，在每一瞬間保證有有兩相繞組通電，此時旋轉電動勢比較小，只需對電流進行斬波，將電流限制在最大允許值以，采用定角度定電流的控制方式即可。在中速階段（50-1500rpm），采用定角度斬波控制。通常所采用的方法是

57、固定關斷角on，然后，對不同的速度段采用不同的導通角off，通過電流斬波限制電流幅值，在此區域，由微控制器自動通過調節off調節斬波電流的幅值，使產生的電磁轉矩能與負載轉矩相平衡，從而使轉速穩定在給定值，實現轉速的閉環控制。在高速階段（1500-2000rpm），采用APC控制方式。這時電機旋轉電動勢己經上升，繞組的導通電流將被削弱，一般采用通過自動調節導通角來對轉矩的大小進行控制，從而使電磁轉矩能與負載轉矩相平衡，進而實現轉速閉環控制。本次設計的樣機為小功率的SR電動機，故在此區域以電壓PWM斬波為主，同時適當調節導通角on和關斷角off的進行控制，故這種控制方式亦可稱之為變角度的電壓斬波控

58、制。本次設計的軟件系統需要完成以下這些主要功能：（1）控制系統初始化。主要包括各種參數初始化、I/O口初始化、鍵盤和顯示器的初始化以與存儲區的初始化。（2）鍵盤與顯示器的管理。鍵盤與顯示器通過8279芯片的控制，和CPU接口完成控制參數的輸入和轉速、電壓、電流的顯示。（3）通過HIS中斷實現轉子位置檢測和，應用軟件細分進行轉速實時計算。（4）電機起動，通過轉子位置信號的組合邏輯判定通電相。（5）與時給出電流參考值以實現速度的閉環控制。（6）不同速度段不同控制方式之間的切換。（7）故障檢測與相應處理。本次設計以SOC196KC為控制核心，相應的控制程序也應該與系統總體的總體設計思想和硬件電路緊密

59、融合在一起。控制程序的設計思路采用模塊化設計，整個控制程序主要由主程序模塊、初始化模塊、起動模塊、位置中斷模塊、控制算法模塊、PI調節模塊、軟件定時器中斷模塊和故障檢測與處理模塊等組成。主程序采用對各子模塊調用的形式，以不斷循環的結構運行，以便實現控制參量的輸入、運行狀態的顯示、正反轉運行與轉速閉環控制。以下各節將著重以流程圖的形式，具體論述不同的程序模塊，并對能夠體現SRD系統軟件設計思想的重要程序模塊進行詳細說明。1205.2主程序模塊主程序的主要功能是通過對各子程序模塊的調用，根據轉速對SR電動機的運行和控制狀態進行相應轉換，并且完成控制參數的輸入和顯示，以實現對系統的閉環控制。主程序主

60、要包括系統的初始化和單片機電時系統狀態的判斷。系統初始化主要是初始化程序中的相關變量，如給定轉速等，同時設定CPU外部接口的工作方式與工作狀態，同時初始化CPU部的各功能部件，開放中斷，使系統開始準備運行。初始化后年進行故障診斷，若無故障，則進入起動狀態；若有故障，則顯示故障類型，并進入故障處理模塊，等待故障解除。主程序流程圖如下圖5-1所示。開始無故障？系統初始化鍵盤掃描轉速可用？電機起動模塊故障保護和處理起動？電機運行控制NoYesNoYesYesNo故障類型顯示 圖5-1主程序流程圖在主程序流程圖中設有轉速是否可用的判斷，這一判斷主要是針對SR電動機運行特點，同時從實際控制方便的角度進行