开关磁阻电动机驱动系统设计(共56页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上开关磁阻电动机驱动系统设计摘要开关磁阻电机作为上世纪80年代出现的一种新型机电一体化系统，具有非常优良的性能和广泛的应用发展前景。与传统的交、直流调速系统相比，开关磁阻电机既保留了感应电机的绝大部分优点，而且具有控制器简单、运行可靠性高、控制灵活方便和价格便宜等突出特点。而近来，随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，开关磁阻电机驱动系统也与时俱进，日趋先进，在电动车、航空工业、家用电器和机械传动领域都有成功的应用，成为电气传动领域的新势力。 本次论文主要对开关磁阻电动机的驱动系统进行设计，以80C196KC单片机作为控制核心，得出基于位置传感器检测和电流检测的控制方

2、案。论文的理论基础是开关磁阻电动机的理想线性数学模型，通过研究开关磁阻电动机的控制特性、可控角、关断角、相电流、绕组端电压与控制策略之间的关系，进行系统的硬件电路和系统控制软件的设计。论文通过对开关磁阻电动机驱动系统的每一个环节的设计，实现了电机的方便的正、反转控制和制动控制，并设计了比较完备的电流和电压保护环节，以保证系统的可靠运行。关键词: 开关磁阻电机；开关磁阻电机驱动系统；控制系统；位置传感器；80C196KCABSTRACTSwitched reluctance motor as a new type of mechatronic systems appeared at the 80

3、s 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 inexpensi

4、ve 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 appli

5、ances 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 theor

6、etical basis 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 system of

7、 hardware and system 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

8、of the system . KeyWords: Switched Reluctance Motor; SRD; Control system; Position sensor; 80C196KC目 录专心-专注-专业第1章 绪 论1.1课题背景 开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）作为上世纪80年代出现的一种新型机电一体化系统，具有非常优良的性能和广泛的应用发展前景。与传统的交、直流调速系统相比，开关磁阻电机既保留了感应电机的绝大部分优点，而且具有控制器简单、运行可靠性高、控制灵活方便和价格便宜等突出特点。而近来，随着电力电子技

9、术和计算机技术的高速发展，开关磁阻电机驱动系统也与时俱进，日趋先进，在电动车、航空工业、家用电器和机械传动领域都有成功的应用，成为电气传动领域的新势力。11.2 SR电机与SR电机驱动系统概述1.2.1SR电机的基本结构及工作原理开关磁阻电动机传动系统（SRD）是上世纪八十年代新型调速系统，通过与日趋先进的电力电子技术与计算机控制技术相结合，具有许多显著的优点，在电气传动领域得到了越来越多的应用。SR电动机（三相6/4极）的结构原理如下图所示，在SRD系统中起到机电能量转换的作用。SR电动机为双凸极结构，定子与转子由硅钢片叠压而成，定子径向相对的绕组可并联或串联成一相。常见的电机主要有三相6/

10、4极与四相8/6极。图1-1 三相6/4极电动机结构原理图SR电动机的基本工作原理是磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合“磁阻最小原理”。当定子的某一相通电时产生的磁场由于磁力线扭曲而产生旋转力矩，使转子旋转到磁阻最小的位置。结合图1-1，当C相通电时，由磁阻最小原理可知，磁力线扭曲产生的旋转力矩将带动转子转动，使转子1-3极轴线与定子的CC极轴线对齐；接着，C相断电，B相通电，使转子顺时针转过30°,使转子的2-4极极轴线与定子的BB相极轴线对齐；B相断电，A相通电，转子顺时针转过30°，使转子1-3极轴线最终与定子AA极轴线对齐，这样，一个周期内，转子转过90°，当

11、定子按C-B-A-C.的顺序通电，电机沿顺时针方向旋转。反之，若按C-A-B-C.给定子通电，则电机逆时针旋转。由上分析易知，SR电机的旋转方向至于定子绕组的通电顺序有关，而与通电电流的方向无关。11.2.2SR电动机的特点开关磁阻电机在结构和控制原理上面的特点使得其与其它种类的传统电机相比，具有以下优点：（1）结构简单，成本较低。SR电动机的突出优点就是定、转子皆由硅钢片叠压而成，定子上也只有简单的绕组，结构简单，制造成本低。此外，与同样性能的其他一些交流调速系统相比，SR电动机功率变换器的拓扑结构也较简单，开关元器件的数目较少，每相可以仅使用一个，这极大地减少了功率变换器的成本。这样，整个

12、SR电动机调速系统的成本在交流调速领域有很强的竞争力。（2）可控参量多，调速性能较好。开关磁阻电动机的主要参控方法有控制开通角、关断角，控制相电流幅值和控制相绕组电压等多种。SR电机各相之间无互感，而且每相电流的导通、关断和电流大小皆可独立控制，这让其性能与直流电机调速系统相近，可以在四象限运行，能实现特定要求的调速控制。由于SR电动机的驱动系统的控制器是以微处理器为核心的，因而可以通过改变控制系统软件实现电机的运行特性的改变，无需改变控制系统硬件，这是相对其他种类电机的显著优点，便于智能化。（3）效率高，工作可靠。SR电机在广泛的转速、功率范围内皆具有高效率。此外，简单可靠的功率电路的使用，

13、避免了直通短路现象，这样可以简化功率电路的保护电路，减低成本的同时，极大的提高了整个SRD系统的可靠性，降低了运行维护所需的人力物力，提高了市场竞争力。 （4）适用范围广。SR电机的功率范围很广，能从几瓦到数兆瓦，而且能适用与频繁起停和正反转速运行的机械系统，在各种恶劣环境下的可靠性都很高，在电动车、航空工业以及一些精密的伺服系统中都得到了广泛的应用。当然，SRD系统也存在一些不足，如存在转矩脉动、震动和噪声较大以及出线较多，需要不断的改善。31.3国内外SR电机驱动系统的研究现状及发展趋势1.3.1SR电动机的发展概况SR电机的渊源可以19世纪40年代，当时有科学家利用两个U型电磁铁制造了电

14、动车，由蓄电池供电，但受限于当时的机械开关控制性能较差，电动机的性能不高。进入20世纪，随着大功率晶闸管的问世，SR电机的研究进入了新纪元。从1967年起，英国Leeds大学开始了对SR电机的深入研究。这项研究表明SR电机相对于同容量的其他感应电机，在单向电流下四象限运行时，其功率变换器所用的开关数是最少的，结构简便，成本也低。这些优势为SR电机的发展打下了基础。20世纪70年代，美国福特公司研制出了具有电动机运行状态和宽广调速范围的SR电动机调速系统，并将其应用到了利用蓄电池供电的电动车辆上。1983年英国的TASC公司推出第一代通用的SR电机调速产品，此后，国外电气传动领域纷纷推出了其商品

15、化的磁阻电机产品。其功率从10w到50MW，转速范围从10rpm到rpm，转矩范围从0.1Nm到Nm，而系统功率变换电路所采用的开关元件有GTO、MOSEF、IGBT等，控制更加灵活、准确，控制器所采用的微处理器有8位机、16位机一直到32位机，功能愈加完善极大的扩大了SR电机的应用范围。其中比较典型的有英国SRDLtd公司推出的第二代SR电机，其功率和转速范围相对于TASC的Oulton系列产品有了显著的提高。此外，英国ALLENWEST公司、BJD公司、加拿大semifusion公司等都分别制造出了一系列生产实践性能很好的产品。17 我国从20世纪80年代初开始进行SRD的研究，经过十几年

16、的努力，许多高等学校和科研院、所在SRD研制、开发领域辛勤耕耘，起步虽然较晚，但在借鉴国外经验的基础上发展速度很快，目前已经研制出多种性能优良的调速系统，广泛应用于煤矿的采煤机、地铁汽车牵引、龙门刨床、抽丝机、高档洗衣机等，解决了许多传统电机调速系统难以解决的技术难题。1.3.2SRD系统概述SRD系统是上世纪80年代时期发展起来的新型调速系统，其基本构成如下：电源功率变换器SR电动机外接负载位置检测电流检测控制信号控制器在这个控制系统中，SR电动机实现机电能量的转换。SRD系统的发展是建立在电力电子技术和微控技术发展的基础上的。早期的SR电动机主开关器件主要用SCR。但是SCR没有自关断功能

17、，这使得强迫关断的电路控制复杂且开关速度较慢，此外成本也较高，显然，这样的功率变换器控制性能是不理想的。GTR和GTO都属于电流控制型器件，GTO开关频率不高且门极控制较复杂，而GTR得驱动电路消耗功率较大。MOSFET相对工作频率更高，开关速度较快，适合小功率、低压的SR电动机的功率变换器的开关器件。IGBT兼具GTR饱和压降低和MOSFET控制端输入阻抗高的优势，驱动电路简单且工作频率较高，是较理想的中、小型SR电动机的功率变换器的主开关元件。而对高压、大功率的SR电动机，可选择MCT做主开关元件。MCT是晶闸管和MOSFET的复合元件，具有工作频率高，电流密度大，易驱动，易控制等优点。本

18、次设计的主电路采用IGBT为主开关元件。11.3.3SR电机的未来研究方向SRD系统经过几十年的发展，性能愈加完善，未来的研究工作主要集中在以下几个方面：（1）无位置传感器的SRD系统。位置检测器是SR电机的必备元件，但是它的使用使得结构简单的SR电机变得复杂，降低了运转的可靠性，因而探索实用的无位置传感器的检测方案是当前备受注目的课题。目前研究较多的是通过采集定子绕组的瞬态的电感信息，进而实现无位置检测器控制方案，但实际应用还任重而道远。（2）振动和噪声的控制。SR电机采用的是脉冲供电，使得电机具有一定的瞬时转矩波动，特别是在低转速时步进状态明显，振动和噪声都较大。此外高速、重载时振动和噪声

19、也较大。怎样通过电机设计和控制策略的优化，有效地抑制转矩波动和噪声，使SRD系统具有低速平稳运行且有静态转矩保持能力，这是需要进一步研究的。（3）综合智能应用。随着现代微控技术的发展，ASIC和高性能的DSP都开始得到了从分的利用，怎样利用日趋先进的微控技术，实现具有动态性能高、抗干扰能力强、智能化程度高的高智能化的SRD系统控制是近期研究的热点。3171.4课题研究的主要内容及意义 随着社会的快速发展，电动机调速系统中在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用渗透到了社会各行各业。老式的磁阻电机效率、功率因数和功率密度都很低，因而适用领域受到了很大的限制。于是，将磁阻电机与电子器件相结合的开关

20、磁阻电机应运而生。SRD作为新兴的机电一体化调速系统，具有很多传统电机调速系统难以比拟的优势。因此，研究出实用性强、性价比高、动态性能好和抗干扰能力强的SRD系统对社会发展具有重要意义。 本设计的主要是利用80C196KC为核心设计出通用化、标准化、智能化的开关磁阻电机驱动系统，因而在相应开关器件的选择如何做到性价比最高，单片机控制策略的实现以及相应控制程序的设计以及电路原理图的设计是本次毕业设计的难点。第2章 SR电机的数学建模及控制策略分析2.1引言 SR电机的结构比较简单，但由于定子采用双凸极结构，绕组电流是非线性的，此外，由于磁路的饱和、涡流和磁滞效应皆会产生非线性，这样，就造成定子绕

21、组的磁通、电流波形不规则，难以用传统的分析方法进行分析计算。但是，电机内部的电磁过程仍然是建立在基本的电磁定律上的，可据此求得SR电机的基本方程式。常见的求解方法有线性模型、准线性模型、和非线性模型。对于非线性模型，虽可建立一个非常精确的数学模型，但磁路的饱和涡流的计算非常繁琐，工程实际意义却并不大。因此，我们在这里采用线性模型，虽然精度较低，但亦可清楚的表示出电机的基本特性与各种参量之间的关系，可作为探讨控制方法的依据 。2.2 SR电机的基本方程 对于一个m相的SR电机，在忽略铁心损耗，且假定各相的结构和参数对称，这样，SR电机可看成具有一个机械端口和m对电端口的电气装置。据此，可得到各种

22、基本方程如下：2.1.1电压方程据基本的电路定律可知，SR电机某相（k相）的电压平衡方程： uk = Rkik+ .（2-1）在此式中：uk 第k相绕组端电压； Rk 第k相绕组电阻； ik第k相绕组电流； 第k相绕组的磁链。2.2.2 磁链方程 SR电机中某相绕组的磁链是该相电流与自感、其余相电流及互感和转子位置角的函数，但各相之间的互感相对自感小得多，简便起见，SR电机的计算中一般省略互感，磁链方程为： =Lk（k，ik）ik. (2-2) 式中，每相电感Lk是该相电流 ik与转子位置角 k的函数，将该式带入式（2-1）中可得： .(2-3)从上式中可看出，电源电压与三部分压降相等。第一项

23、是电阻压降；第二项是电流变化而感应的电动势，又称变压器电动势；第三部分是转子位置改变引起的磁链变化而产生的感应电动势，即运动电动势。2.2.3机械运动方程 SR电动机运行时，在电磁转矩和负载转矩的作用下，转子的机械运动方程如下： . (2-4) 在上式中，表示电磁转矩，J表示系统的转动惯量，表示摩擦系数，表示负载转矩。2.2.4转矩公式SR电动机的电磁转矩可由下式求得： . (2-5)在上式中，表示绕组的磁共能。 上述SR电动机的数学模型完整、准确地描述了其电磁和力学关系，但是由于电路与磁路的非线性因素，准确计算的工作量很大且计算非常困难。2.3SR电动机的理想线性模型分析2.3.1SR电动机

24、的理想线性模型由上节易知，SR电机的非线性模型的计算是非常困难的，本次设计需要我们掌握SR电动机内部的基本电磁关系及基本特性，不需复杂的精确计算，故我们可对理想的线性模型进行研究。理想的线性模型需要作如下假设：（1）忽略电流大小对绕组电感的影响，忽略磁路的饱和影响；（2）半导体开关器件的开关动作是瞬时的，即导通和关断时压降皆为零；（3）主电路电源的直流电压(士Us)恒定；（4）忽略磁通的边缘效应，忽略所有的功耗；（5）电动机的转速恒定。 满足以上假设条件的电机模型就是理想的线性模型，电机相绕组电感L随着转子的位置角呈周期变化，如下图2-1所示：LmaxL（）LminOu23a45 图2-1相绕

25、组电感曲线 如上图2-1中所示，以定子极轴线和转子凹槽中心重合的位置为基准点，即坐标原点，以转子位置角为横坐标。=u=0时，相电感最小，为Lmin;转子转过半个极距角（/Nr）时，定子的磁极轴线与转子的凸极中心对齐，此时相电感达到最大值，为Lmax。这样，随着定子和转子的不断重叠和分离，相电感在最小值和最大值之间线性地上升和下降，变化周期为转子极距r，正比于转子极数。 在图2-1中，u为定子和转子不对齐的位置；2为转子凸极刚开始与定子磁极发生重叠的位置；3为转子凸极与定子磁极的临界重叠位置；a位置的电感最大；4为转子凸极刚要与定子磁极脱离完全重叠的位置；5转子凸极刚好与定子磁极完全脱离。这样，

26、可得到SR电动机的相绕组电感与转子的位置角关系如下： u2时，L（）=Lmin； 23时，L（）=Lmin+k（-2）； 34时，L（）=Lmax；45时，L（）=Lmax-k（-4）；在上式中，k=（Lmax- Lmin）/(3-2) =（Lmax- Lmin）/s。s为定子磁极极弧。2.3.2相绕组磁链方程 SR电动机其中一相绕组的由恒定直流电源Us供电，这一相电路的电压方程为： ±Us = iR+在上式中，+、-分别对应于绕组通电期与电源关断后绕组的续流期。由于是理想的线性模型，忽略所有功耗，故上式可以简化为： .（2-6）式中，=表示转子的角速度。 在开关合闸瞬间，此时，0=

27、0；=on，on为定子绕组电源接通时转子与定子的相对位置角，即为开通角，则由式2-6可知通电段的磁链表达式为：. (2-7) 当=off时，电源关断，off为关断角，此时磁链达到最大值： . (2-8)上式中，op=off-on,表示一相绕组的开通角。 而根据是2-6Us取-时，可得到续流期间的磁链为; . (2-9)这样，就可得出SR电动机理想线性模型下磁链随转子位置角的变化曲线如下图2-2所示：maxOonoff2off-onoff-onoff-on 图2-22.3.3相绕组的电流方程 将式2-6改写成如下形式： . (2-10) 在转速、电压一定时，绕组的电流只与转子位置角和初始条件有关

28、，下面分段进行研究分析：在u2时，L=Lmin，初始条件为i（on）=0,解得： . (2-11) 此段区域内，电感恒为，电流直线上升。在2off时，L（）=Lmin+k（-2）；根据电压方程并代入初始条件可求出： . (2-12)对应的电流变化率：. (2-13) 由上式易得，当on<2-Lmin/k时，di/d<0,电流将在电感上升的区域内下降；当on=2-Lmin/k时，di/d=0，此时电流将保持恒定; on>2-Lmin/k时，di/d>0，则电流将继续上升。不同的on可以形成不同的相电流波形。（3）在off3区域内，主开关元件关断，绕组进入续流期。此时，电流

29、的解析式如下： . (2-14)(4) 在34区域内，电流解析式如下： . (2-15)(5)在42off on5区域内，电流解析式为： . (2-16) 这样，以上各式构成了一个完整的电流解析式，它是电源电压、电机几何尺寸、电机转速和转子位置角的函数。在电压和转速恒定的时，电流波形与开通角on、关断角off、最小电感Lmin、最大电感Lmax以及定子极弧s有关。 由此可看出，主开关开通角on在控制电流大小方面作用明显。当on减小时，电流峰值和电流波形的波宽将增大；主开关关断角off对电流波形宽度有影响，off增大时，电流波形变宽，但它对电流峰值没影响；此外，电流大小与直流供电电压成正比，与电

30、机的转速成反比，启动时常采用电流斩波控制进行限流。这些，都是电动机驱动系统设计的原理基础。2.3.4 电磁转矩电机的电磁转矩也是分段的，假定电机的磁路不饱和，根据电感的分段解析式可得电磁转矩的解析式分列如下：u2时，Te=0； 23时，Te =1/2Ki2； 34时，Te =0；45时，Te =-1/2Ki2。 从上式中易看出，电磁转矩的大小与电流的平方成正比。在电感曲线上升的阶段，绕组电流产生正向转矩；在电感曲线下降的阶段，绕组电流产生制动转矩，这也是关断角的选取需要顾及的地方，一般取电感上升区域的中间位置。2.4SR电机的控制策略2.4.1SR电机的基本运行特性SR电动机在给定外施电压Us

31、且开通角on、关断角off固定时，电动机的转矩、功率和转速的关系与直流电动机的串励特性类似。但在转速较低时，电流。转矩都有极限值，其基本的机械特性如下图2-3所示：TO恒转矩区恒功率区串励特性区CCC方式APC方式c固定12 图2-3SR电动机基本机械特性（1）恒转矩区。对于给定的SR电动机，它在恒转矩区能达到的最大转速为1，此时，SR电动机的功率也是最大的，1称为第一临界转速。在低速运行时，由于电机的平均电磁转矩Tav与相电流的平方成正比，为了获得恒转矩特性，限制电流不超过允许值，常采用电流斩波控制，即CCC（Chopped Current Control）控制。CCC控制的方法是固定开通角

32、on、关断角off，通过斩波控制外施电压。CCC控制分为启动斩波模式、定角度斩波模式与变角度斩波模式三种。启动斩波模式在SR电动机启动时采用，通常固定on、off，导通角op取一个较大的值，以便在得到大的启动转矩的同时又能限制相电流峰值；定角度斩波模式常在电机启动后低速运行时采用，op不变但相对较小；变角度斩波模式通常在电机中速运行是采用。CCC控制通常有以下几种方法实现斩波：限制电流上、下幅值；电流上限和关断时间给定；PWM斩波调压控制。本次设计采用电流上限和关断时间给定的方法，即将相电流i与给定电流Imax比较，当i>Imax时，控制功率开关关断一段时间，一个周期内的关断时间是恒定的

33、。这种控制方式最大的优点是简单容易实现，但对关断时间的选取要适宜，以防止“过斩”或斩波频率过高。（2）恒功率区。在恒功率区，保持外施条件不变时，增大时，Tav将随着2下降。在第一临界速度以上1、第二临界速度2以下，为获得恒功率特性，采用角度位置控制，即APC(Angular Position Control)控制，保持外施电压不变，调节开通角on和关断角off，常采用固定关断角off、改变开通角on的控制方式。一般选offa,且op/2。（3）串励特性区。当转速继续增加，可控条件达到极限，转矩不再随转速的平方下降，此时，SR电动机呈串励特性。 在SR电动机控制方式实际运用时，一般低速时采用CC

34、C控制，高速时采用APC控制，在中速时采用CCC控制和APC控制方式结合来进行控制。这种组合控制方式提高了电动机的控制性能。12.4.2SR电动机的起动 SR电动机启动时有两种起动方式，即一相通电起动和两相通电起动。本次设计所采用的是四相8/6极SR电动机，采用两相起动方式。相对于一相起动方式，两相起动增大了电动机的启动转矩，消除了起动死区，同时两相起动的转矩脉动减小，起动所需的电流幅值也更低。2.4.3SR电动机运行控制（1）正反转控制 SR电机的运行需两个条件：一是使转子运转的转矩，二是有相应相序的控制信号。由前面2.3节的分析易知，每相绕组的通电区域由开通角on和关断角off所在区段来决

35、定。若通电区段位于>0的区段，产生正转矩；若通电区段位于<0的区段，则产生负转矩。电机一旋转，位置检测器信号就自动追踪相序形成相应的相序控制信号，电机开始运行。当开通角on和关断角off为正转控制角，只要将控制导通区推迟半个周期，就可实现反转控制（2）制动控制 在SR电动机传动系统中，需限制电动机转速的，这就需要进行制动控制，在电动机的轴上施加与转速方向相反的转矩。采用APC控制方式，改变开通角on和关断角off，将主开关器件的导通区段设在相绕组电感的下降段即可产生负转矩，完成制动控制。1第3章 SRD系统的设计原理3.1 SR电动机的换相原理 SR电动机经过前面分析已知，它的转动

36、方向只与定子绕组的通电顺序有关，因而可以通过对各相的通电控制进行正方转控制。采用转子位置检测器进行检测，进而根据获得的位置信息，将此信息通过80C196kc的HSI端口输入进单片机，进行相关的位置参数计算和转速计算，通过计算结果控制各相主开关器件的控制，进而实现换相控制。3.2 SRD控制系统原理本次课题设计的SRD系统原理图如下：速度给定ASR)放大驱动综合逻辑控制ACR功率变换器转速计算SRMM位置传感器位置信号电流检测由上面的系统原理图可知，本次设计是基于位置传感器反馈控制原理的，控制策略的实现都是基于对位置信号的分析处理。系统主要由以下几个单元构成：（1）速度给定单元；（2）转子位置检

37、测单元；（3）数字速度PI调节器；（4）电流和电压斩波控制器；（5）电流检测环节；（6）综合逻辑控制；（7）功率变换电路。下面将分别对其中的主要单元进行介绍3.2.1 速度给定单元速度给定单元将转速给定电压信号ug的突变部分进行积分，使电压信号变成较为平缓的变化量，以使系统工作更加平稳。由系统结构原理图易知速度给定单元之后还有一个80C196KC的软件速度PI调节器，且电机运行的平稳性和快速性是相互制约的，故硬件积分器时间常数不宜选太大，本次课题选择时间常数为=1s，最终输入到80C196KC芯片中间的A/D转换通道的电压为05V，对应转速为02000rpm。A/D转换后的数字信号与转速负反馈

38、的数字信号综合转速后的误差信号被送入到软件速度PI调节器，这样就构成了一个完整的转速控制系统。3.2.2转子位置检测单元位置检测控制就是通过确定定子和转子的相对位置，然后将所测得的位置信号反馈至逻辑控制电路，进而通过计算对相应绕组的通断和转速高低进行调节控制。常见的位置检测器有光敏式、磁敏式等位置检测方案。 对于一个m相的SR电动机，转子齿极数为Nr，定子齿极数为Ns，转子的极距角为： r=步距角为： 每转步数为：转子每旋转一周，定子m相绕组需要轮流通电Nr次，故可得SR电动机转速n与每相定子绕组的通电频率f 的关系为： n= 功率变换器的开关频率为： 本次设计采用光敏式检测器，它由光电耦合开

39、关和遮光盘组成，将光电开关固定在定子上，遮光盘固定在定子上，它的齿、槽与转子的凸极、凹槽数相等，且齿、槽均匀分布，这样，转子每转过一个步进角，位置检测器的输出信号就与此对应变化一次，在一个转子极距角r内，位置信号变化m次，当转过一个极距角r后，位置信号会回到起始状态，并且位置信号按此规律循环反复。这样，就可通过转子的位置信号经过处理后对绕组导电的相序进行控制。 本次课题采用的样机是四相8/6极SR电动机，采用半数检测法，即采用两个光电开关进行检测，其间的夹角由下式决定： =（k-1/m）r (k=1，2，.)可知，两个光电开关之间可以为15°、45°、75°。本次

40、位置传感器的安装采用45°，即在某相（A相）定子绕组中心线位置安装光电开关V1、再顺时针转过45°安装另一个光电开关V2，遮光盘齿槽角间距为30°。电路通电后，位置检测电路可以输出两路周期为60°、间隔为15°的脉冲序列，再通过相间关系可得基本位置信号的通电逻辑如下图3-1所示：A相B相C相D相SPOOOO 图3-1正转时位置信号与相绕组通电逻辑（on=0°，on=30°）根据电机运行时位置检测信号和对应相电感的关系，可以确定SR电动机在运行时各相主开关器件的切换逻辑。据此，可得到SR电动机分别在正反转运行的真值表（假定逆时

41、针为正）： 表3-1SR电动机正、反转运行真值表 逆时针运行 顺时针运行S PA 相B 相C 相D 相S PA 相B 相C 相D 相1 1ONOFFOFFON1 1ONONOFFOFF0 1ONONOFFOFF0 1ONOFFOFFON0 0OFFONONOFF0 0OFFOFFONON1 0OFFOFFONON1 0OFFONONOFF上表是SR电动机运行时的基本控制逻辑。每相绕组在传感器信号的高低电平下的通断如上表。微控制器通过捕获S、P传感器信号的突变沿来进行位置同步和计算转速，再通过延迟时间和角位移之间的函数关系，在高速运行阶段得到PI调节输出的on和off，在低速运行阶段得到固定角度

42、的on和off，控制器据此给出各相绕组通断的控制信号。 转子位置信号是SR电动机控制时序的决策依据，在前文中已有详述。根据SR电动机正、反转运行时各相绕组切换的真值表，以进行正、反转控制。下面将就方案的具体实施和测速原理进行分析。转子位置信息经80C196KC具有捕获功能的输入端口HSI来检测。将转子上位置传感器上得到的方波信号先后进行分压滤波、电平转换，然后直接加到80CI96KC芯片的HIS.0和HIS.1引脚，在控制寄存器中将捕获中断事件的方式设为上下沿都触发的方式，这样每经过一个步距角（15°），就可通过硬件中断从位置传感器S或P上面获得一个脉冲突变沿，进入中断服务程序后，就

43、可通过读HSI状态寄存器相应位的状态进而判断是上升沿或者是下降沿。可据此来进行位置同步、控制相序。位置信号由高速输入口记录在十六位时间寄存器中，根据位置检测原理，可由两次脉冲沿触发时刻之差来计算出转子转过l5°所用的时间从而计算出转速而进行转速刷新。此外，一路位置信号转过一个周期（60°）的时钟数除以60，这可以得到转子转过1°所对应的时间值，以该值为基本单位t标，将它与导通角on或者关断角off所需的延迟角度相乘，就可得到与之相对应的延迟时间，写入高速输出口HSO的命令寄存器，在不经过CPU干预的情况下，将自动产生各相通断允许信号，这在综合逻辑控制单元中是相导通

44、的一个重要逻辑判据。3.2.3 数字速度PI调节器 数字速度PI调节器是实现对SR电动机斩波电流和导通角自动调节的关键，是速度位置闭环控制系统中的重中之重，它与控制策略的实施和控制品质的优劣直接相关。所以经典的PID在连续系统中应用广泛，控制灵活，参数整定方便。但由于SR电动机动态性能较好，一般使用比例和积分环节，即PI调节，就可以胜任SR电机的调速控制。本次设计中80C196KC对斩波电流幅值、导通角度的调节都是采用PI控制，其计算表达式为： 式中： 调节器的输出； Kp比例系数；e调节器的输入，此处为设定转速与实际转速之差；积分常数； 控制基准，常取输出控制量取取值范围的中间值。由上式易看

45、出，PI调节器的比例调节的输出与偏差成正比，且偏差越大，调节速度越快；积分环节对存在的偏差进行积分，可以消除静差。因而PI调节器兼具比例环节的快速性和积分环节能消除静差的优点。单片机的控制采用采样控制，因而上式中的积分项可以用数学方法逼近：设t=iT(T 为采样周期)表示采样时间，则上式可离散化为： 在实际控制系统中，采用APC控制时，常采用固定关断角off，调节c的控制方法，先通过计算机算出相应转速的最佳关断角off，将这个值存到存储器中，再由PI调节器算出导通角op，用off -op就可得到开通角on，进而完成APC控制。3.2.4 电流检测环节 电流检测是SRD系统实现低速电流斩波控制、

46、过流保护的基础，只有得到精确的实时监测电流，才能进行高性能的实时控制。电流检测环节的主要作用有以下二点，一是将检测得到的实时电流作为电流调节的控制参量，在起动、低速运行和加速运行时进行电流调节和导通角度限制；二是监测功率变换电路判断是否存在过电流故障，以便进行过流保护和故障处理。常用的电流检测方法由通过电阻采样和通过霍尔传感器采样两种。电阻采样法功耗高，且检测灵敏度较低，此外电流检测的线性度亦不好；而霍尔传感器相对灵敏度更高，本身还有自保护功能，因而适用更广。本次设计就采用霍尔传感器进行电流检测。3.2.5 电流和电压斩波控制调节器 电流和电压斩波控制调节器是执行控制策略的重要单元，包括软件和

47、硬件两个组成部分。功能是实现角度控制、电流控制、电压控制等控制方式，根据数字速度PI调节器的输出信号改变控制参数，进行控制方式的切换。 在课题采用的基本的控制方式是在基速1以下实行电流斩波控制，1以上实行变角度的电压PWM斩波控制。3.2.6综合逻辑控制单元 80C196KC的控制信号最终是由综合控制逻辑发出的。这个部分主要综合了控制方式实现信号、各相绕组通断切换信号以及故障判断信号等，输出一个符合电动机相数的并且实现调速控制方式的多路信号，该信号传送给驱动电路板。由它来驱动功率器件的通断。3.2.7功率变换器 在SRD系统中，由IGBT构成的主回路及其IGBT的驱动电路合并为一个完整的功率变

48、换环节。功率变换器在SRD控制系统中的作用是无可比拟的，其价格在整个SRD系统中也占有主要的比重，因此，设计合理完善的功率变换器是提高整个SRD系统性能、提升价格比的关键之一。功率变换器是直流电源和SR电动机的接口，同时为系统的储能提供回馈路径。性能优良的功率变换器应该具备以下几个条件：主开关元件数量较少；能将直流电源的电压全部加到电动机相绕组上；主开关器件电压额定值与SR电动机接近，一般略高；开关器件反应是瞬时的；可通过对主开关器件的调制来控制相电流；能提供绕组储能的回馈路径。常用的功率主电路由双开关型、双双绕组型、电容分压型、H桥型公共开关型几种。本次设计采用电容分压型主电路，具体器件选择

49、及驱动电路将在第四章中详述。73.3 80C196KC单片机简介80C196KC是Intel公司MCS-96系列单片机中功能电路较为完备的一种单片机，CPU是16位，适合各类自控系统。MCS-96系列单片机与MCS-51系列单片机系统相比，在实时性方面有了很大的提高，指令系统也具有更高的效率，执行速度亦更快。80C196KC单片机继承了80C196KB的许多优点，是MCS-96系列单片机中的高性能产品。80C196KC单片机的主要性能如下：（1）16位无累加器CPU,内部采用寄存器文件结构；（2）10位A/D转换器；（3）256字节片内RAM；（4）48个I/O端口；（5）高速输入输出部件HS

50、I/HSO；（6）三个硬件脉宽调制输出PWM；（7）外设事务服务器PTS(Peripheral Transaction Server)；（8）16位监视定时器WDT；（9）两个16位定时/计数器；（10）具有总线出让规程HOLD/HLDA；（11）具有两个优先级的28源/16向量中断结构；（12）片内时钟振荡器，时钟频率最大为20MHZ。此外80C196KC采用2分频电路能产生不同相位的内部时钟，其软件执行速度在相同晶振频率下要比早期的8096系列快1/3左右。可见，80C196KC硬、软件资源丰富且数据处理速度快，是很理想微型控制器件。第4章 SRD系统硬件电路设计4.1系统概述 本次SRD

51、系统设计以微控制器80C196KC为核心，其硬件结构如下图所示：P0 HSI PWM HSO 位置、速度检测电路故障检测电路键盘及外接电路显示电路相控信号输出电路过流保护及电流斩波电路故障控制电路逻辑综合电路 驱动放大电路 功率变换器 本次设计采用的是四相8/6极SR电动机，其主要技术指标如下：额定功率:30kW;额定转速：1500rpm;转速范围：50-2000rpm；起动转矩：1.5×190N.m;过载能力：120%；双向运行，停车制动。三相工频电压经全波整流器整流后给SR电动机供电，整流后的直流供电电压平均为513V，电动机过载时的峰值电流约为147A。4.2位置检测电路位置检

52、测电路采用如下图的4-2电路，光电耦合开关的输出信号首先连接一个比较器LM339，防止边沿抖动，然后经过滤波电路滤波，通过施密特触发器整形，在经过反相器反相输出位置信号S，另一路信号与此一样，经单片机的HIS.0和HIS.1输入。 图4-2位置检测电路4.3低速电流斩波器本设计采用低速电流斩波控制的控制方案，其电路图如下图4-3所示，以图中AC相为例，比较器LM339正相输入端V+为给定斩波电流的上限值Uref，负相输入端V-为电流检测器测得的绕组电流实际值转化的UAC，两者相比较产生相应的通断信号，当Uref>UAC即V+>V-时，LM339输出Vl为高电平，此时，与此相对应相的主功率开关导通;反之，若Uref<UAC即V+<V-时，则Vl变为低电平，则可得与非门CD4011输出V2变为高电平，单稳态触发器CD4098的输入端V3变为低电平，单稳态触发器将工作，其输出端OUTAC为低电平且将持续时间Tl，对应相主功率开关关断Tl时间。如果在Tl时间内Vl变为高电平，则在Tl终止时刻，OUTAC恢复高电平，主功率开关元件导通；如果在T1时间内Vl一直为低电平，则OUTAC继续处于关断状态直到Vl为高电平为止，如此循环反复就构成一个斩波调节控制。图中的CHOPLOCK信号由80C196KC的PI.0端口给出，在