电动自行车用开关磁阻电动机控制器设计说明书

1、毕业设计说明书电动自行车开关磁阻电动机控制器 任少伟110504422 1105044228 学生： 学号：计算机与控制工程学院学 院：电气工程与其自动化专 业：常晓丽指导教师：2015年 6 月51 / 57电动自行车开关磁阻电动机控制器 摘 要开关磁阻电动机驱动系统（简称 SRD）是随着电力电子、计算机、微电子的迅速发展而出现的一种新型机电一体化无级调速系统，它将开关磁阻电动机、电力电子技术、控制技术融合为一体 不仅保持了交流异步电机的结构简单、坚固可靠和直流电动机可控性好的优点而且还具有交流调速系统和直流调速系统所无法比拟的显著特点。论文以三相6/4极 SRM为研究对象，完成了以单片机为

2、核心组成的调速系统设计方案，系统采用PWM控制方式，选用三相全桥式功率驱动器主电路，主开关器件选用功率MOSFET，设计了以单片机AT89C51为核心的控制器，主要对电流检测、位置检测、故障保护和显示电路等外围电路进行了设计，具有过流保护功能。同时本设计采用了模块化的编程方法，增强了程序的可读性和易操作性。基于开关磁阻电动机的准线性动态模型,利用Protues软件 ,对开关磁阻电动机进行仿真。为此系统的进一步改进打下了基础。仿真结果达到了预期的SRD 控制效果。本文用该设计进行了开关磁阻电机控制的模拟试验，达到了初步的实验效果，在软硬件两方面为以后开关磁阻电机控制系统这一课题的研究进行了有益的

3、探索和实践。关键词：开关磁阻电机；单片机；功率驱动器；调速系统Electric bicycle switched reluctance motor controller Abstract Switched reluctance motor drive system (SRD) with the rapid development of power electronics, computer, microelectronics and the emergence of a new Mechatronics stepless speed regulating system, it will swi

4、tch reluctance motor, power electronics technology, control technology integration as a whole not only keeps the notable characteristics of the structure of AC asynchronous motor is simple, firm and reliable and the advantages of DC motor controlled but also has AC speed control system of DC speed r

5、egulating system is unable to compare. The three-phase 6 / 4 pole 7.5kW SRM as the research object, completed the single-chip microcomputer as the core component of speed control system design, system adopts PWM control mode, selection of three-phase full bridge power driver circuit, main switch sel

6、ects IGBT, design the STC89C51 MCU as the core controller, mainly of current detection, position detection, fault protection and display circuit and other peripheral circuits are designed with current protection function.At the same time, this design adopts a modularized programming method, which en

7、hances the readability and operability of the program. Based on the quasi linear dynamic model of switched reluctance motor, MATLAB/SIMULINK is used to simulate the switched reluctance motor. Further improvement of the system laid the foundation. The simulation results achieved the expected SRD cont

8、rol effect. The with the design of switched reluctance motor control simulation test, the preliminary experimental results are obtained. In the aspects of software and hardware for later switched reluctance motor control system of the subject research of beneficial exploration and practice. Key word

9、s: switched reluctance motor; SCM; power driver; speed control system 目 录1 开关磁阻电动机概述11.1开关磁阻电动机的发展状况11.2开关磁阻电动机的组成21.3开关磁阻电动机的性能特点42 开关磁阻电动机的原理与控制52.1开关磁阻电动机的结构原理62.2开关磁阻电动机的基本方程72.3开关磁阻电动机的调速控制方式92.3.1电流斩波控制（CCC）方式102.3.2角度位置控制（APC）方式102.3.4脉宽调制控制（PWM）方式112.4开关磁阻电动机的启动与制动122.5开关磁阻电动机的转矩脉动与噪声分析123系统

10、总体设计144.1位置信号采集系统设计144.2电流信号采集系统设计154.3调速信号采集系统设计174.4保护电路设计185 驱动系统设计195.1驱动电路设计195.2开关器件的选择216主控系统设计236.1单片机系统236.2信号逻辑处理电路246.3速度显示电路设计247 软件设计267.1主程序设计267.2 启动程序设计277.3主控模块设计287.4测速和换相程序设计297.5PI调速模块设计317.6速度显示模块设计327.7中断程序设计328 SIMULINK原理仿真348.1电机模块348.2功率驱动模块348.3 位置检测模块358.4 PI调速模块358.5 系统仿真

11、与结论36参考文献37附录 电路图38附录 程序清单391 开关磁阻电动机概述新一代的调速电机，开关磁阻电机调速系统( Switched Reluctance Drive简称SRD)是从20世纪80年代中期逐步发展起来的，开关磁阻电机具有结构简单、坚固的优点，因为其构成的SRD性能优良，所以较其他调速系统更有竞争潜力。SR电机的结构比笼型异步电动机简单，但SR电机的控制要求根据负载和运行条件的不同，在不同的转子相对位置下通断各相绕组的主开关器件，这样既提高了电机控制的灵活性，也增加了电机运行控制的复杂性，显然，如果不采用软件与硬件相结合的数字控制系统对SR电机进行控制，SRD性能的提高必然受到

12、一定的限制，同时控制器的硬件电路亦将过于复杂和庞大。因此，为了简化控制电路，充分利用SR电机控制方式灵活多变的优点，完善系统的功能，有必要使用数字控制系统对SR电机进行控制。一方面，采用直接数字控制简化了硬件电路，提高了系统的可靠性，另外一方面，直接数字控制符合SRD系统的特点，现代计算机技术和微电子技术的发展为直接数字控制提供了强大的物质和技术支持，目前开关磁阻电动机已开始广泛应用于工，航空业和家用电器等各个领域，随着对开关磁阻电动机认识的深入，应用必将更为普遍。1.1开关磁阻电动机的发展状况现代SR电动机的发展开始于20世纪60年代，电子工业的发展给电气传动领域提供了可靠、低廉、多功能的控

13、制器件。60年代末，J.Jarret提出了增加饱和度有利提高磁阻电动机出力的观点，从而SR电机得到迅速的发展。在相当长的一段时期，磁阻电机的研究处于对其运行原理和性能特性的探索和论证。在国外，70年代初，美国FORDMOTOR公司研制出了最早的开关磁阻电动机调速系统(Switched Reluctance Drive)。它的机构为轴向气隙电动机。晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽围调速的能力，适合于作蓄电池供电的电动车辆传动。1981年，英国TASC公司(TASC Drives Ltd.)获准制造该系统，在1983年推出开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance

14、 motor Drive System，简称SRD系统)的系列产品，取名为OULTON，调速围为303000/rmin，容量围为422kW。这一产品的出现在电气传动界引起了不小的反响。因为它在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或着超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。1985年研制成200kW的样机，最大转速为10000r/min，美国开发了用于航空航天方面的SRD系统，转速可达25000r/min。在国，从1984年开始，许多单位先后开展了SR电机的研究工作，如纺织机电研究所、航空航天大学、东南大学、大学、华中理工大学、华南理工大学、河海大学、电工学院

15、，并且开关磁阻电机调速系统的研究被列为中小型电机“七五科研规划项目”。1985年华中理工大学研制以SCR为功率开关器件的7.5 kW的SRD系统；1987年，纺织机械研究所和调速电机厂合作开发了3kW的8/6极、以BJT为功率开关器件和以单片机8751为核心芯片的控制器的SRD系统产品；1993年，30kW级别的SR电机在电机二厂通过鉴定；2000年，国10kW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，并且开始进行180kw的SR电机在地铁机车上的应用研制。近20年来，SR电机的研究在国外取得了很大的发展，作为一种新型调速驱动系统，研究的历史较短，技术涉与到电机、微电子、电力电子、微机、控制、机械与

16、工程应用等众多学科领域的新技术，变频调速感应电机、无换向器直流电机等经历几个年代的开发推广，目前领先一步，其有着极其广阔的市场前景。1.2开关磁阻电动机的组成开关磁阻电动机调速系统主要是由开关磁阻电动机、功率驱动器、控制器和检测器四部分组成如图1.1。电源指令输入功率变动器开关磁阻电动机负载电流检测器位置检测器控制器 图1.1 SRD系统基础构成从产品结构看，系统通常由SR电机和驱动器两部分组成，电动机部分包含位置传感器，驱动器部分包含功率驱动器和控制电路。1开关磁阻电动机开关磁阻电动机（简称SRM）SRD中实现机电能量转换的部件也是SRD有别于其他电动机驱动系统其主要标志它遵循磁通总是要沿着

17、磁导最大的路径闭合的原理是由磁拉力作用产生具有磁阻性质电磁转矩采用双凸极结构是要使转子旋转时磁路的磁阻要尽可能变化。2功率驱动器功率驱动器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。所以功率驱动器包括由整流器所产生直流电源和开关元件等。功率驱动器有三个作用：起开关作用，使绕组与电源接通或断开；为绕组的储能提供回馈路径；为SRM提供电能量，以满足所需机械能的转换。SRD的分类主要取决功率驱动器。3控制器控制器是整个调速系统的核心，起着决策和指挥作用。根据控制器中设定好的控制策略与其相应的算法，把外部反馈的电流、位置等检测输入量与部程序中计算得出的给定量进行比较判断，

18、决定电机的控制方式，并在合理的转子位置控制功率驱动器中各相主开关器件的开关状态，实现机电能量合理、有效的转化。控制器由具有较强的信息处理功能的微机构成。微机信息处理功能大部分是由软件完成，所以软件也是控制器的一个重要组成部分。4位置检测器开关磁阻电动机调速系统是位置闭环调速系统，开关磁阻电机各相绕组必须与转子位置同步激励，并且转子位置测量的精度和分辨率直接影响到调速性能的好坏。位置检测的目的是确定定子与转子的相对位置，即要用位置传感器检测定转子相对位置，然后位置信号反馈至逻辑控制电路，从而确定对应相绕组的通断。5电流检测器相电流检测是开关磁阻电机电流斩波控制方式（CCC方式）运行的需要，是系统

19、过流保护的需要。单向、脉动以与波形随运行方式、运行条件不同而变化很大是开关磁阻电机相电流的基本特点。因此开关磁阻电机的电流检测器应该具有快速性好，灵敏度高，单向电流检测，线性度好，抗干扰的优点。1.3开关磁阻电动机的性能特点SRD系统具有十分突出的性能优点：1.结构简单固定、成本低、适用于高速场合SR电机的结构甚至比通常被认为是最简单的鼠笼式感应电机还要简单。其显著的优点是转子上没有任何形式的绕组，只有定子边有集中绕组，因此制造简单，维护起来方便，绝缘容易。同时其转子机械强度很高，可用于超高速运转(10000r/min)。一般来说，中小SRD，成本可以低于同功率和类似性能的其他现代调速系统。2

20、.各相独立工作，有很高的运行可靠性SR电机的运转不同于传统的电机运转机理。从电磁结构上看，一般电机要正常运转就必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆旋转磁场。而SR电机各相绕组和磁路相互独立，在一定转角围产生电磁转矩。在控制结构上看，SR电机各相电路各自给一相绕组供电，也是相互独立工作，由此可知，当SR电机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相的工作，在控制方面并不需要对其他相做任何变动。本系统可以构成可靠性很高的系统。3.转矩方向与相电流极性无关，只与通电顺序有关。从而可使每相绕组只需一个主开关，降低功率驱动器成本。4.功率驱动器不会发生直通短路故障，可靠性高。传统的PWM变频器

21、功率电路中每桥臂两个功率开关直接跨在直流电源侧，容易发生直通短路烧毁功率元件。而SR电机调速系统中每个功率开关元件均直接与电机绕组相联，根本上避免了直通短路现象。5.高起动转矩，低起动电流。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是SRD的一大特点。一般典型产品的数据是:起动电流为10%额定电流时，获得的起动转矩为100%额定转矩；起动电流为额定值的30%时，起动转矩可达到其额定值的150%。对比其它调速系统的起动特性，本系统十分适合那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械，如电动车辆等。6.可控参数多，调速围宽。由于SR电机控制参数多，所以控制器的控制方式也有多种，并不是

22、仅仅依靠控制开关管的开通，关断顺序来进行控制。目前，SR电机转速的控制模式主要有以下几种: (1) 角度位置控制APC方式。电压保持不变，通过改变开通角和关断角两个控制参数来调节电机转速。关键在于将角度量转化为相应速度时的时间可控量。适合于电机较高速运行区。(2) 电流斩波控制。电压不变，电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为避免电流上升过快，超过允许的最大电流，可采取斩波方式来限制电流。一般用于电机低速区。(3) 电压斩波控制方式。开关角固定不变，绕组不同的外施电压对应不同的转矩转速曲线，因此可以通过调节加在绕组上的电压来控制电机转速。7.效率高，损耗小。SR电机的转子不存在励磁与转差

23、损耗，功率变换器开关器件少，相应的损耗也小。其次，可控参数多，控制灵活，易于在很宽的转速围实现高效优化控制。2 开关磁阻电动机的原理与控制2.1开关磁阻电动机的结构原理SR电机在结构上与步进电机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合，当铁心与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁心拉到磁场的轴线上来。这个作用力就是磁阻电机运行的原动力切向磁拉力。这是SR电机与步进电机的相似之处，但是在以下两方面SR电机不同于步进电机。第一，步进电机是一般位置开环控制，而SR电机是位置闭环控制。有位置闭环控制就不会失步。第二，一般步进电机是作为信息传输从而实现角位移精密传动，而SR

24、电机是典型的功率型电气传动装置。因此，SR电机要突出速度控制和实现系统高效率，故其设计思路大不一样。SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相以与多相等不同的相数结构，相数越多，则步进角越小，这样有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。通常转子的极数比定子极数少2个，少于三相的SR电机没有自起动能力，因此，对于要求自起动、四象限运行的驱动场合，应优选表2-1所示的结构类型。目前应用较多的是三相6/4极结构、四相 8/6极结构和三相12/8极机构。 电动机相数定转子极数与步进角之间关系如下表2.1所示。表2.1 SR电机的结构类型相数3456789定子极数681012141618转

25、子极数46810121416步进角（度）3015964.33.22.5SR电动机的运行遵循“磁阻最小原理”-磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，所产生的磁阻由于慈利县扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子与轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。 图2.1 三相6/4极SR点攻击的结构原理图下面以图2.1所示的三相6/4极SR电动机为例说明SR电动机的工作原理。当A相通电时,因磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，扭曲磁力线产生的切向力带动转子转动，最总将使转子1-3极轴线与定子AA1极轴线对其，A相断电，C相通电，则使转子顺时针旋转，最终使转子2-4级轴线与定子CC1

26、极轴线对齐，转子顺时针转过30。C相断电，B相通电，则使转子顺时针转过30，最终使转子1-3极轴线与定子BB1极轴线对齐。在一个通电周期，转子在空间转过30x30，即一个转子齿极距。如此循环往复，定子按ACBA.的顺序通电，电机便沿顺时针方向旋转。如定子按ABCA.的顺序通电，电机便沿逆时针方向旋转。2.2开关磁阻电动机的基本方程SR电机的工作原理和结构都比较简单，但其双凸极的结构特点、磁路和电路的非线性、开关性，使得电机的各个物理量随转子位置作周期性变化，定子绕组电流和磁通波形极不规则，传统电机的性能分析方法难以简单地用于SR电机计算，不过SR电机部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电流定

27、律、能量守恒定率等基本的电磁关系上，并可由此写出 SR 电机的基本平衡方程式。1.电动势平衡方程式一台q 相SR 电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律可以写出SR 电机第j 相的电动势平衡方程式：在SR 电机中，各相绕组的磁链是转子位移角和各相绕组电流的函数，故磁链为： 进一步考察 SR 电机能量流，有上式表明，输出功率的一部分转为磁场储能增量，另一部分则为输出的机械功率，可以说SR 电机正是利用其不断的能量储存，转换而获得高效、大功率的性能。2.转矩平衡方式当电动机电磁转矩T与作用于电机轴上的负载转矩不相符时，转速就会发生变化产生角加速度，根据力学原理，可以写出这时的转矩平衡方程式

28、W由于电路、磁路的非线性和开关性，使得上述方程组很难计算，通常需要根据具体运行状态和研究目的进行必要的简化，一般都采用线性模型进行简化，线性模型有利于对SR 电机的定性分析了解其运行的物理状况、部各物理量的基本特点和相互关系。在线性模型中作如下假设；(1) 忽略磁通边缘效应和磁路非线性，且磁通率，因此绕组电感L 是转子位置的分段线性函数。m=(2) 忽略所有功率损耗。(3) 功率管开关动作瞬时完成。(4) 电机恒速运转。在上述假设条件下的电机模型为理想线性模型，绕组电感L 与转子位移角的关系如图3所示。图中横坐标为转子位置角(机械角)，它的基准点即坐标原点=0的位置，对应于定子凸极中心与转子凹

29、槽中心重合的位置，这时相电感为最小值，当转子转过半个极距时，该相定、转子凸极中心完全对齐，电感为最大值，随着定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感则在和线性地上升和下降。图2.2绕组电感L 与转子位移角的关系2.3开关磁阻电动机的调速控制方式开关磁阻电动机是一种典型的机电一体化装置。双凸极磁阻电动机的正常运行离不开可控的开关电路控制器。而每个控制器功能的实现都离不开合理的控制策略，本节着重研究开关磁阻电机的控制原理，介绍各种调速控制方案。该系统的控制具有两个层面:一是，电机控制层面，即通过调节电机自身的参数改变电机的运行特性，这一层关系是直接的；二是，系统控制层面，这个层面是将控制策略应用于开关

30、磁阻电机与其外围的设备(控制器、信号检测装置等)，并使之为达到某一控制目标协同运作，这种控制是通过功率变换器间接作用在电机之上的。这个层面上的控制是种通用技术，能够应用在其它电机上的控制理论基本上都可以应用在开关磁阻电机上，而电机层面上的控制则是开关磁阻电机所特有的，下文将对其具体控制策略加以总结和讨论。SR 电机的可控变量一般有施加于相绕组两端的电压U、相电流I、开通角和关通角等。开关磁阻电机的控制简单的说就是对上述参数进行调节，根据上述控制参量的不同，主要可分为以下三种控制方式:角度位置控制(APC，又叫单脉冲控制)、电流斩波控制(CCC，又叫电流PWM 控制)、电压斩波控制(CVC，又叫

31、电压PWM 控制)。2.3.1电流斩波控制（CCC）方式开关磁阻电机在基速 以下运行时，由于转速较慢，旋转电动势较小，绕组电流上升率较大，为避免过大的电流和磁链峰值，获得恒转矩机械特性，采用电流斩波控制（CCC）方式。电流斩波控制是通过固定开通角、关断角，通过主开关器件的多次导通关断将电流限制在给定围实现电机恒转矩控制。CCC控制方式下的相电流波形见图4。显然，当固定开通、关断角时，调节斩波就相当于调节关断角，或者说是电流开通区间的长度。但是它们之间也有不同之处，APC方式下电流的不可控相比，CCC方式是直接对电流实施控制，通过适当误差带的设置可以获得较为精确的控制效果。因此，CCC方式同样具

32、有简单直接，可控性好的特点，也避免了APC方式中的“敏感”问题，与后面的电压PWM方式相比，也具有较小的开关损耗，是比较常用的控制方式。只是这种控制下，电流的斩波频率不固定，它随着电流误差变化而变化，不利于电磁噪声的消除。2.3.2角度位置控制（APC）方式开关磁阻电动机运行在基速至第二临界转速区域，转速较高，旋转电动势较大，绕组电流上升率低，电流较小，为获得恒功率机械特性，常采用角度位置控制方式。角度位置控制方式是调节开通角 、关断角，改变相绕组相对于电感位置的励磁区域，从而调节电机的转矩。角度位置控制的控制非常灵活，但与的组合非常多，使得控制参数的选择较为复杂，这就存在一个角度位置控制参数

33、优化的问题。优化的目标可以是恒功率下转矩最优，也可以是效率最优，以与其它目标。优化目标不同，与的最优组合往往也不同。因此角度位置控制往往需要按照控制性能目标事先对控制参数进行优化，优化的方法有仿真、实验测量等。实际采用的APC调节法，一般都先优化固定，然后通过闭环调节。对于调速围较宽的，可以分段优化固定，然后再对其进行调节。角度控制也称单脉冲控制，因为开通期间开关元件始终导通。这种方式比较简便，但这种方式中相电流是不可控，其变化率很大，对于开通角和关断角的微小变化都十分敏感，在调节上也存在一定的困难。因此，这种方式比较适合在短时间里快速达到期望电流的场合，如较高机械转速下的控制。图2-4APC

34、控制时T和QON Qff的关系2.3.4脉宽调制控制（PWM）方式脉宽调制(PWM)控制方式的实质是通过调节绕组两端的励磁电压来控制电磁转矩。具体方法是固定和，用PWM 信号调制主开关器件相控信号，通过调节PWM信号的占空比，从而调节励磁电压加在相绕组上的的有效时间宽度，改变相电压的有效值，进而改变输出转矩。PWM方式可控性较好，在基速以上或基速以下的围都可以应用，适用于转速调节系统。通过对转速的给定值和实际转速的反馈值之差进行PI运算，调节PWM信号占空比，达到转速快速响应。缺点在于导通角度始终固定，功率元件开关频率高，开关损耗大，影响了系统效率。通过对以上几种控制方法的分析可知，不同的控制

35、方法有不同的优点，也有不同的适用围，对应的电动机特性差异也很大，因此选择适当的控制方式是系统设计者的重要任务。由于一般要求电动机转速围较宽，负载转矩适用围也较宽，为了使电动机在各种不同工作条件下均具有较好的性能指标，一般可选用几种控制方式的组合来控制系统的运行，如高速时采用角度控制，低速时采用电流斩波控制，以利于发挥二者的优点。综合考虑几种控制方式的适用围和优缺点，本设计采用了单一的控制方式脉宽调制(PWM)控制方式。图2.5 PWM斩波调压控制的电流波形2.4开关磁阻电动机的启动与制动SR电动机的优点之一是具有良好的起动性能:起动转矩大，起动电流小，起动时间短。SR电动机由静止不动到正常运转

36、必须经历一个起动过程，与步进电动机不同，SR电动机始终工作在有位置反馈的自同步状态，因此，SR电动机不存在步进电动机起动过程中因起动频率过高而引起失步导致起动失败的问题。SR电动机的起动比较简单，无需辅助设备，研究表明，三相或三相以上的SR电动机可在任意转子位置正、反方向起动。在起动瞬间，故旋转电动势为零，若加额定电压Us直接起动，相电流将过大，由此产生的过大动态冲击转矩可能会损坏电动机和传动机构，甚至烧毁电机绕组的开关器件，因此必须在起动期间采用电流斩波控制方式限制起动电流的幅值。此外，在负载极小的情况下可以配合PWM斩波实现软启动，或者实现低转速待机状态。开关磁阻电动机的制动方式有其独到的

37、特点：反向制动，即给原转向状态相反的顺序通电。这种方式可实现快速制动，缺点是对传动机构的扭矩冲击比较大，不适合大负载的设备。外电阻制动，开关控制外界一相电阻跨接电机绕组，利用绕组自身的反电动势形成方向转矩，达到制动的目的。2.5开关磁阻电动机的转矩脉动与噪声分析SR电动机运行时的噪声和振动严重制约了SR电动机的应用和发展。与传统电机一样，SR电机的噪声主要由三大部分组成:机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声。 理论分析和实验研究表明，机械噪声主要源于机械部件的质量，好的电机这方面的噪声是比较小的，机械噪声可以通过提高制造质量予以控制。空气动力噪声由电机的冷却风扇产生，主要由风扇的型式、风叶和通风道

38、与进出口的结构设计决定，该噪声占整个噪声的比例一般是比较小的。电磁噪声是SR电机噪声的主要组成部分，转子径向的单边磁拉力和转矩波动是噪声的主要来源，尤其是当径向磁拉力的谐波频率与定子固有频率一致时，将会产生严重的噪声和振动。 由于SR电机的转矩是波动性质的，因此，转矩波动是导致SR电机的噪声、振动的一个原因；但是随着研究的深入，各国学者发现，转矩波动只是电机噪声产生的原因之一，在某些电机实验中转矩波动导致的噪声甚至不是最主要的，因径向单边磁拉力而引起的电磁噪声在电机噪声中反而占据更大的比例。 当给SR电机一相绕组通电时，定子励磁极和转子磁极之间产生磁吸力，力图使磁路的磁阻最小。磁吸力可分成两个

39、方向的分量:切向磁吸力和径向磁吸力，切向磁吸力正是所需要的使电机运行的电磁转矩。径向磁吸力非但不能产生电机旋转所需要的电磁转矩，反而力图压缩定、转子间气隙。径向磁吸力也是一个脉动的力波，在齿对槽位置时最小，在齿对齿位置时最大。在脉动的径向磁吸力作用下，转子由于可视为实心圆柱体，具有很好的刚性，因此基本不受影响；而定子是壳体结构，不可避免地形成压缩、扩振动，可等效为由阻尼器、弹簧与质量所组成的系统，振动通过机壳向外发射噪声，构成SR电机噪声的根源之一，一旦径向磁吸力的谐波频率与定子的固有频率重合，噪声将会十分严重。3系统总体设计本次毕设课题的主要任务是完成开关磁阻电动机控制系统的设计，达到基本的

40、运转和调速的功能。从硬件上来说本次设计主要分三大部分：信号采集系统部分，主控系统部分和驱动系统部分。那么信号采集部分和主控系统部分将是本次毕设任务的重点，预期要完成测速、速度显示、逻辑换相和调速这四项功能，系统框图如图6。目标速度输入单片机运转命令输入位置信号输入速度显示换相输出PWM波输出图3.1 硬件系统框图4 信号采集系统设计4.1位置信号采集系统设计位置传感器是开关磁阻电机的关键部件和特征部件。作用是向单片机端口正确提供转子位置信息，依此对功率变换器进行控制，从而控制整个电机的运行。转子位置检测的传感器可采用多种形式，如霍尔传感器、光电式传感器、接近开关式传感器、谐振式传感器和高频耦合

41、式传感器等。 本系统选用SRD中用得最多的简单可靠的光电式位置传感器，它由静止和转动两部分组成。CG1和CG2是光电断续器，R1-R4是限流电阻，其值一般为1-10K。由于光电脉冲发生器输出的位置脉冲信号有一定的上升和下降沿，所以光电三极管输出电压经比较器整形后输出。原理图如图4.1所示。 图4.1光电转子位置检测器电路表4.1光耦输出信号与转子位置关系转子位置状态导通相正转反转001AC101AB100CB110CA010BA011BC4.2电流信号采集系统设计开关磁阻电机相电流检测是电流斩波控制方式运行的需要，也是过电流保护的需要。单相、脉动以与波形随运行方式和运行条件变化很大是开关磁阻电

42、机相电流的基本特点。因此开关磁阻电机的电流检测器需具备如下特点: (1)快速性能好，从电流检测到控制主开关器件动作的延时尽量小； (2)被测主电路(强电部分)与控制电路(弱电部分)间应良好隔离，且有一定 的抗干扰能力: (3)灵敏度高，检测频带围宽，可测含有多次谐波成分的直流电流； 对于三相开关磁阻电机，一般需要三个霍尔电流传感器来检测每一相的电流。鉴于SR 电动机功率变换器中，输出的相电流是单向脉动的，可用以下几种方法检测电流，即 （1） 电阻采样；（2） 直流电流互感器采样；（3） 霍尔元件采样；（4） 磁敏电阻采样。 上述（2）-（4）项都要进行电流的磁通密度变换，相对复杂些；电阻采样简

43、单易行，但有附加损耗，且易引入主电路的强电干扰。霍尔电流传感器是国际上电子线路中普遍采样的电流检测元件。这种传感器的精度高、线性度好、温漂低、反应时间快， 而且抗干扰能力和电流过载能力强，可以满足上述要求。 霍尔元件（HL）检测电流的工作原理可用图4.3 来说明。它有四根引线，当磁感应强度为B 的磁场垂直穿过HL，且控制电流输入端（1、3 端）通过外电源供给恒定电流I 时，则在信号电压输出端（2、4 端）便有霍尔（效应）电压输出，即 图4.3 霍尔元件工作原理图被检测电流I 产生的磁场感应强度为B 的磁场，垂直穿过霍尔元件，且有BI,则有 I，所以测得与等效测出I。但霍尔电压 一般只有几十毫伏

44、，应而后面必须加放大器。利用霍尔效应检测电流目前有直接检测式和磁场平衡式两种方法。直接检测式霍尔电流传感器的主要不足是当被检测电流过大时，为不使磁路饱和，保证测量的线性度，必须相应增大铁心的截面积，这就造成检测装置的体积过大。而磁场平衡式霍尔电流传感器（简称LEM 模块）把互感器、磁放大器、霍尔元件和电子线路集成在一起， 具有测量、反馈、保护三重功能。其工作原理如图4.4 所示。 图4.4 霍尔电流传感器检测电路磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿， 从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。当原边导线经过电流传感器

45、时，原边电流会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流，并存在以下关系式： 因此，测得数值就能间接反映出被测电流的大小。4.3调速信号采集系统设计由于开关磁阻电动机在调速时需要一个渐变的速度，则需一个模拟量来反映速度的变化。本设计考虑到单片机I/O口线紧的情况，决定采用一个串行的AD来完成模数转换的任务。ADC0832 是8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯

46、片转换时间仅为32us，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第

47、1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能。其引脚图如图4.5。 图4.5 ADC0832引脚图 4.4保护电路设计在开关磁阻电机系统中，不同的速度围，电流斩波和过流保护电路完成不同的功能。在启动阶段，用逐步增大电流限值实现软起动功能；低俗时，完成电流斩波控制；在高速运行时，主要为过流保护。电流斩波控制电路采用滞环比较器。如下图所示，电流反馈信号和电流给定信号经过比较器比较，产生斩波控制信号。若UAC 大于Uref，则IAC为0；当相反时，则为1图4.6 电流斩波和过流保护电路 图4.7 过电压检测的电路图 图4.8

48、 欠电压保护的电路图5 驱动系统设计功率驱动器是SR电动机运行时所需能量的供给者，在整个SRD成本中功率驱动器占有很大比重，合理选择和设计功率变换器是保证SRD系统具有较高选取对SR电机的设计也直接产生影响，应根据具体性能，使用场所等方面综合考虑，找出最佳组合方案， 性能优良的功率驱动器应具有以下特点： （1）最少的开关元件数； （2）保证电源电压全部施加于相绕组； （3）开关元件的额定值接近于电动机额定电压； （4）开关的调制可有效地控制绕组电流的通断； （5）具备使绕组电流迅速上升的能力。 下面对SRD功率驱动器几种常见的典型线路结构，进行各性能和特点的分析，通过比较综合，得出适合本论文研

49、究的功率变换器主电路结构。5.1驱动电路设计如图5.1所示为采用不对称半桥线路式的三相SR电机功率驱动主电路。图5.1 不对称半桥式驱动电路图以A相绕组为例，每相有两个主开关管（即主开关器件）V1， V2与两只续流二极管VD1, VD2。其中上下两只主开关管是同时导通和关断的。当V1， V2同时导通时，VD 1, VD2截止，电源Us向电机相绕组A供电，产生相电流Is。当V1， V2同时关断时，A 相绕组产生的反向电压回流，则VD1, VD2正向导通，Is通过VD1, VD2以与储能电容Cs续流，Cs将吸收A相绕组部分磁场能量。此种线路具有如下特点: (1)各主开关管的电压定额为Us；(2)由

50、于主开关管的电压定额与电机绕组的电压定额近似相等，所以这种线路用足了主开关管的额定电压，有效的全部电源电压可用来控制相绕组电流； (3)由于每相绕组接至各自的不对称半桥，在电路上相与相之间是完全独立的； (4)每相需要两个主开关管，未能充分体现出SRD功率变换器较其它交流调速系统逆变器固有的优势。这种接线，除了电动机绕组与每相开关串联，不存在上下桥臂直通的故障隐患外，它颇像三相异步电动机PWM逆变器电路。 综上所述，不对称半桥线路适宜在高压、大功率与SRM电动机相数较少的场合下应用。另一种分裂式驱动电路如图5.2，电源Us被两个相等的电容Cs一分为二，各相主开关器件和续流二极管依次上下交替排布

51、。当SA导通时，A相Cs对绕组供电；SA断开时， 下侧VD导通，绕组经VD续流向B相Cs充电。当SB导通时，B相Cs向绕组供电；SB断开时，绕组经VD续流向C 相Cs充电，依次向D相充电。为保证上、下各相工作电压对称，此方法只适用于偶数相。每个主开关器件和续流二极管的额定电压为Us+U(U系因换相引起的任一瞬变电压)，而加到通电电动机两端的电源电压仅为Us/2(这样与不对称桥式电路相比，绕组就应通以两倍的电流)，因此电容量和电源电压的定额将显著增加。这种方案对蓄电池供电的系统是合适的。图5.2 分裂式功率驱动电路在目前的各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，而本设计的要求即为采

52、用三相桥式全控电路，其原理图如下图所示，其中阴极连接在一起的三个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管称为用阳极。图5.3 三相桥式全控整流电路原理图5.2开关器件的选择主开关器件是构成功率驱动器的重要部分，关系到功率驱动器是否能够迅速、准确、安全地开通与关断。因此主开关器件的选择至关重要。目前可供选择的功率器件有普通晶闸管(SCR)、可关断晶闸管( GTO)、大功率晶闸管(GTR)、功率MOSFET场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。这些器件的性能各不一样，适用场合也不尽一样。一般，开关磁阻电机的功率驱动器要求所选用的主开关器件具有电压、电流的过载能力好，开关频率

53、高，可方便的换流等特点。本设计中要求采用MOSFET，功率MOSFET属于电压控制型器件，工作频率高、开关速度快，很适合作低压、小功率SR电动机功率变换器的主开关器件。6主控系统设计6.1单片机系统本设计任务书中要求采用AT89C51，AT89C51单片机含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、AD、PWM等模块。其引脚分布如图6.1所示。 图6.1 AT89C51芯片引脚图每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机

54、的运行速度也就越快。6.2信号逻辑处理电路由于逻辑换相的需要，单片机需要一个换相时刻的信号。由三个位置传感器信号的组合经过异或门处理后会在每个换相时刻产生一个下降沿信号送给单片机，让单片机做出换相处理。其逻辑关系如图6.2。AT89C51T2EX（P1.1）信号A信号B信号C=1=1图6.2 位置信号逻辑处理示意图6.3速度显示电路设计单片机并行I/O 口数量总是有限的，有时并行口需作其他更重要的用途，一般也不会用数量众多的并行I/O 口专门用来驱动显示电路，用单片机的串行通信口加上少量I/O 与扩展芯片用于显示电路。速度显示利用74LS164 芯片扩8 位LED 串行显示接口电路。74LS1

55、64 是一个8 位移位寄存器（串行输入，并行输出），其DIP 引脚图如图6.3 所示。图6.3 74LS164 芯片DIP 引脚图CLOCK 时钟输入端，CLEAR 同步清除输入端（低电平有效），A，B 串行数据输入端，QAQH 输出端。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK） 脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据， 并在CLOCK 上升沿作用下决定Q0 的状态。 单片机的串行口设置在工作方式0，串行数据从单片机RXD 引脚

56、输出，移位时钟由TXD 送出。将74LS164 的A、B 端与RXD 相连，CLK 与TXD 相连MR 接高电平，在满足条件时数据就传送到74LS164并寄存。将前一个74LS164QH端接到下一个74LS164QA端，在将CLK连接到一起并接到TXD，则送数据时，前后数据就依次从上一个片子传到下一个片子。74LS164与数码管的连接如图6.4所示。图6.4 74LS164与数码管接线图单片机控制系统外接口电路示意图aa图6.5单片机控制系统外接口电路7 软件设计本文以STC89C51为核心构成的SRD系统采用双闭环调速方法，系统有两个反馈环，即速度外环和电流环。速度反馈信号取自位置传感器输出的转子位置信号频率，与被给定速度相减后