【正文】 ............................................ 44 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 開關(guān)磁阻電動機(jī)概述 作為新一代的調(diào)速電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) ( Switched Reluctance Drive 簡稱SRD)是從 20 世紀(jì) 80 年代中期逐步發(fā)展起來的，開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固等優(yōu)點，由于其構(gòu)成的 SRD 性能優(yōu)良，所以較其他調(diào)速系統(tǒng)更有競爭潛力。 本文用該設(shè)計進(jìn)行了開關(guān)磁阻電機(jī)控制的 模擬 試驗， 達(dá)到了初步的實驗效果 ，在軟硬件兩方面為以后開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng) 這一課題的 研究進(jìn)行了有益的探索和實踐。同時本設(shè)計采用了模塊化的編程方法，增強了程序的可讀性和易操作性。論文以三相 12/8 極 SRM 為研究對象，完成了以單片機(jī)為核心組成的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)采用 PWM 控制方式，選用 不對稱半橋式 功率 驅(qū)動 器主電路，主開關(guān)器件選用 IGBT，設(shè)計了以單片機(jī) STC89C52 為核心的控制器，主要對電流檢測、位置檢測、故障保護(hù)和顯示電路等外圍電路進(jìn)行了設(shè)計，具有過流保護(hù)功能。仿真結(jié)果 達(dá)到了預(yù)期的 SRD 控制效果 。 power converter。一方面，采用直接數(shù)字控制簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，另一方面，直接數(shù)字控制符合 SRD 系統(tǒng)的特點，現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為直接數(shù)字控制提供了強大的物質(zhì)和技術(shù)支持，目前開關(guān)磁阻電動機(jī)已 開始 廣泛 應(yīng)用于工，航空業(yè)和家用電器等各個領(lǐng)域，隨著對開關(guān)磁阻電動機(jī)認(rèn)識的深入，其應(yīng)用必將更為普遍。 國外， 70 年代初，美國 FORDMOTOR 公司研制出了最早的開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (Switched Reluctance Drive)。該產(chǎn)品的出現(xiàn)在電氣傳動界引起了不小的反響。 1985 年華中理工大學(xué)研制以 SCR 為功率開關(guān)器件的 kW 的 SRD 系統(tǒng)； 1987年，北京紡織機(jī)械研究所與南京調(diào)速電機(jī)廠合作開發(fā)了 3kW 的 8/6 極、以 BJT 為功率開關(guān)器件和以單片機(jī) 8751 為核心芯片的控制器的 SRD 系統(tǒng)產(chǎn)品； 1993 年， 30kW級別的 SR 電機(jī)在山東淄博電機(jī)二廠通過鑒定； 2020 年，國內(nèi) 10kW 以上的 SR 電機(jī)已應(yīng)用于煤礦的采煤機(jī)，并開始進(jìn)行 180kw 的 SR 電機(jī)在地鐵機(jī)車上的應(yīng)用研制。 1．開關(guān)磁阻電動機(jī) 開 關(guān)磁阻電動機(jī)（簡稱 SRM）是 SRD 中實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件也是 SRD 有別于其他電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主要標(biāo)志它遵循磁通總是要沿著磁 導(dǎo)最大的路徑閉合的原理由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩采用雙凸極結(jié)構(gòu)就是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁路的磁阻要盡可能大地變化。 SRD 的 分類 主要取決于功率驅(qū)動 器。微機(jī)信息處理功能大部分是由軟件完成，因此，軟件也是控制器的一個重要組成部分。單向、脈動以及波形隨運行方式、運行條件不同而變化很大是開關(guān)磁阻電機(jī)相電流的基本特點。同時其轉(zhuǎn)子機(jī)械強度很高，可用于超高速運轉(zhuǎn) (10000r/min)。而 SR 電機(jī)各相繞組和磁 路相互獨立，各自在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。從而可使每相繞組只需一個主開關(guān)，降低 功率驅(qū)動器 成本。 ，低起動電流。 ，調(diào)速范圍寬。關(guān)鍵在于將角度量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)速度時的時間可控量。一般用于電機(jī)低速區(qū)。 SR 電機(jī)的轉(zhuǎn)子不存在勵磁及轉(zhuǎn)差損耗，功率變換器開關(guān)器件少，相應(yīng)的損耗也小。 還有在要求轉(zhuǎn)速高度穩(wěn)定的一些工業(yè)應(yīng)用中，如化纖行業(yè)，開關(guān)磁阻調(diào)速電動機(jī)具有良 好的同步性能，而且不存在電刷磨損（如直流電動機(jī)）或恒磁體退化（如永磁同步電動機(jī)）的問題，可長期可靠工作。 空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電發(fā)展的總趨勢是采用具有現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的電動機(jī)來取代 無 調(diào)速的電動機(jī)。國外已將 SRD 在電瓶車、鏟車、無軌電車、電動轎車、城市輕軌列車等方面進(jìn)行廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢已經(jīng)明顯凸現(xiàn)出來，國內(nèi)這方面的研究開發(fā)也已取得了顯著的成效。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2 開關(guān)磁阻電動機(jī)的原理 與控制 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 SR 電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與步進(jìn)電機(jī)相似，運行原理遵循 “磁阻最小原理 ”，即磁通總是要沿著磁阻最小的路徑閉合，當(dāng)鐵心與磁場的軸線不重合時，便會有作用力將鐵心拉到磁場的軸線上來。有位置閉環(huán)控制就不會失步。通常轉(zhuǎn)子的極數(shù)比定子極數(shù)少 2 個，少于三相的 SR 電機(jī)沒有自起動能力，因此，對于要求自起動、四象限運行的驅(qū)動場合，應(yīng)優(yōu)選表 21 所示的結(jié)構(gòu)類型。 在第一類電機(jī)中，運動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果。而 在第二類電機(jī)中，運動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。開關(guān)磁阻電機(jī)就屬于這一類型的電機(jī)。在圖 22 示位置，當(dāng)定子一極受到勵磁時，電機(jī)內(nèi)建立以定子對角線為軸線的磁場，其磁通經(jīng)過定子扼、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛閉合。 為了更加清楚地理解開關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理，本文將開關(guān)磁阻電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)和自整步同步電機(jī)作了比較，見表 22。都各相的通電順序得到正反轉(zhuǎn) 位置和速度的閉環(huán)控制，不單是功率型驅(qū)動電機(jī) 相同點 開關(guān)磁阻電機(jī) 自整步電機(jī) 都采用轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制的自控變頻器供電 轉(zhuǎn)子需勵磁定子多組交流電勵磁 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 10 電機(jī)第 j 相的電動勢平衡方程式： dtdIRU jjjj ??? 在 SR 電機(jī)中，各相繞組的磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位移角和各相繞組電流的函數(shù)，故磁鏈為： )。 (2) 忽略所有功率損耗。圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角 (機(jī)械角 )，它的基準(zhǔn)點即坐標(biāo)原點 θ =0 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 的位置，對應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時相電感為最小值， 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個極距時，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對齊，電感為最大值，隨著定、轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少，相電感則在和線性地上升和下降 。該系統(tǒng)的控制具有兩個 層面 :一是，電機(jī)控制層面，即通過調(diào)節(jié)電機(jī)自身的參數(shù)改變電機(jī)的運行特性，這一層關(guān)系是直接的；二是，系統(tǒng)控制層面，這個層面是將控制策略應(yīng)用于開關(guān)磁阻電機(jī)及其外圍的設(shè)備 (控制器、信號檢測裝置等 )，并使之為達(dá)到某一控制目標(biāo)協(xié)同運作，這種控制是通過功率變換器間接作用在電機(jī)之上的。 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 12 電流斬波控 制（ CCC）方式 開關(guān)磁 阻電機(jī)在基速 b? 以下運 行時，由于轉(zhuǎn)速較慢，旋轉(zhuǎn)電動勢較小，繞組電 流上升率較大，為避免過大的電流和磁鏈峰值，獲得恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，采用電流斬波控制（ CCC） 方式。但是它們之間也有不同之處， APC 方式下電流的不可控相比， CCC 方式是直接對電流實施控制，通過適當(dāng)誤差帶的設(shè)置可以獲得較為精確的控制效果。角度位置控制方式是調(diào)節(jié)開 通角 on? 、關(guān)斷角 off? ，改變相 繞組相對于電感位置的勵磁區(qū)域，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。因此角度位置控制往往需要按照控制性能目標(biāo)事先對控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的方法有仿真、實驗測量等。這種方式比較簡便，但這種方式中相電流是不可控，其變化率很大，對于開通角和關(guān)斷角的微小變化都十 分敏感，在調(diào)節(jié)上也存在一定的困難。 PWM 方式可控性較好，在基速以上或基速以下的范圍都可以應(yīng)用，適用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于一般要求電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬，負(fù)載轉(zhuǎn)矩適用范圍也較寬，為了使電動機(jī)在各種不同工作條件下均具有較 好的性能指標(biāo)，一般可選用幾種控制方式的組合來控制系統(tǒng)的運行，如高速時采用角度控制，低速時采用電流斬波控制，以利于發(fā)揮二者的優(yōu)點。 SR 電動機(jī)的起動比較簡單，無需輔助設(shè)備，研究表明，三相或三相以上的 SR 電動機(jī)可在任意轉(zhuǎn)子位置正、反方向起動。這種方式可實現(xiàn)快速制動，缺點是對傳動機(jī)構(gòu)的扭矩沖擊比較大，不適合大負(fù)載的設(shè)備。 理論分析和實驗研究表明，機(jī)械噪聲主要源于機(jī)械部件的質(zhì)量，好的電機(jī)這方面的噪聲是比較小的，機(jī)械噪聲可以通過提高制 造質(zhì)量予以控制。 當(dāng)給 SR 電機(jī)一相繞組通電時，定子勵磁極和轉(zhuǎn)子磁極之間產(chǎn)生磁吸力，力圖使磁路的磁阻最小。在脈動的徑向磁吸力作用下，轉(zhuǎn)子由于可視為實心圓柱體，具有很好的剛性，因此基本不受影響；而定子是殼體結(jié)構(gòu)，不可避免地形成壓縮、擴(kuò)張振動，可等效為由阻尼器、彈簧及質(zhì)量所組成的系統(tǒng)，振動通過機(jī)殼向外發(fā)射噪聲，構(gòu)成 SR 電機(jī)噪聲的根源之一，一旦徑向磁吸力的諧波頻率與定子的固有頻率重合，噪聲將會十分嚴(yán)重。 圖 31 硬件系統(tǒng)框圖 此系統(tǒng)的特點在于高度的集成，測速和換相全由位置信號傳感器負(fù)責(zé)輸入，換相信號和 PWM 波信號可以進(jìn)行片外硬件與門相與也可片內(nèi)程序相與后再輸出。 由于換相輸出同位置信號輸入是高度實時邏輯相關(guān)的，所以用中斷的方式來獲得換相的時刻。它的作用是向單片機(jī)端口正確提供轉(zhuǎn)子位置信息，依此對功率變換器進(jìn)行控制，從而控制整個電機(jī)的運行。間隔的 8 齒遮光盤，遮光盤與電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。 圖 41 光電開關(guān)電路原理圖 由于系統(tǒng)采用的電機(jī)是 12/8 極開關(guān)磁阻電機(jī)，對于三相 12/8 結(jié)構(gòu) SR 電機(jī) (步進(jìn)角為 step? = 176。的兩個傳感器如圖 42 所示。 表 41光耦輸出信號與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系 轉(zhuǎn)子位置狀態(tài) 導(dǎo)通相 ① ② ③ 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 0 0 1 A C 1 0 1 A B 1 0 0 C B 1 1 0 C A 0 1 0 B A 0 1 1 B C 電流信號采集系統(tǒng)設(shè)計 開關(guān)磁阻電機(jī)相電流檢測是電流斬波控制方式運行的需要，也是過電流保護(hù)的需要。 上述（ 2） （ 4）項都要進(jìn)行電流的磁通密度變換，相對復(fù)雜些；電阻采樣簡單易行，但有附加損耗，且易引入主電路的強電干擾。它有四根引線，當(dāng)磁感應(yīng)強度為 B 的磁場垂直穿過 HL，且控制電流輸入端（ 3 端）通過外電源供給恒定電流 I 時，則在信號電壓輸出端（ 4 端）便有霍爾（效應(yīng)）電壓 HU 輸出，即 ? ? 00s in UIBU HH ??? ?? 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 20 圖 43 霍爾元件工作原理圖 被檢測電流 I 產(chǎn)生的磁場感應(yīng)強度為 B 的磁場，垂直穿過霍爾元件，且有 B∝ I,則有 HU ∝ I，所以測得 HU 及等效測出 I。而磁場平衡式霍爾電流傳感器（簡稱 LEM 模塊）把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起， 具有測量、反饋、保護(hù)三重功能。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 調(diào)速信號采集系統(tǒng)設(shè)計 由于開關(guān)磁阻電動機(jī)在調(diào)速時需要一個漸變的速度，則需一個模擬量來反映速度的變化。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32us，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。當(dāng)要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 時，須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。 其引腳圖如圖 45。 下面針對 SRD 功率驅(qū)動器幾種常見的典型線路結(jié)構(gòu)，進(jìn)行各性能和特點的分析，通過比較和綜合，得出一種適合本論文研究的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)。當(dāng) V1， V2 同時導(dǎo)通時， VD 1, VD2 截止，電源 Us 向電機(jī)相繞組 A 供電，產(chǎn)生相電流 Is。 綜上所述，不對稱半橋線路適宜在高壓、大功率及 SRM 電動機(jī)相數(shù)較少的場合下應(yīng)用。為保證上、下各相工作電壓對稱，此方法只適用于偶數(shù)相。 開關(guān)器件的選擇 主開關(guān)器件是構(gòu)成功率 驅(qū)動 器的重要部分，關(guān)系到功率 驅(qū)動 器是否能夠迅速、準(zhǔn)確、安全地開通與關(guān)斷。一般，開關(guān)磁阻電機(jī)的功率 驅(qū) 動 器要求所選用的主開關(guān)器件具有電壓、電流的過載能力好，開關(guān)頻率高，可方便的換流等特點。 (1) IGBT 對柵極電荷非常敏感故驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，驅(qū)動電路與 IGBT 的連線要盡量短。 (4) 驅(qū)動電平 +Uce 應(yīng)綜合考慮， +U。 (5) 在關(guān)斷過程中，為盡快抽取 PNP 管的存儲電荷，需施加一負(fù)偏壓，一般取 1V至 lOV 。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能。 其引腳分布如圖 61 所示。由三個位置傳感器信號開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 26 的組合經(jīng) 過 異或門處理后會在每個換相時刻 產(chǎn)生一個下降沿 信號 送給單片機(jī)，讓單片機(jī)做出換相處理。 74LS164 是一個 8 位移位寄存器（串行輸入，并行輸出），其 DIP 引腳圖如圖 63 所示。當(dāng) A、 B 任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（ CLOCK） 脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。將前一個 74LS164QH 端接到下一個 74LS164QA 端，在將 CLK 連接到一起并接到 TXD，則送數(shù)據(jù)時，前后數(shù)據(jù)就依次從上一個片子傳到下一個片子。控制器以恒定的斬波頻率控制功率變換電路中主開關(guān)器件的開斷，并通過調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷的時間比例，來調(diào)節(jié)相繞組兩端的平均電壓，同時基于最優(yōu)開通角調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)調(diào)速。主要程序為 :主程序、運行子程序、測速子程序。初始化操作完成之后，系統(tǒng)調(diào)用起動程序，完成系統(tǒng)的軟起動。因此， PWM 調(diào)壓控制中的占空比不能在起動階段一下子加大，而必須采用軟起動的方法，在本程序中采用循環(huán)累加的方法逐步加大占空比，同時在加速過程中實時檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于