【正文】 開關磁阻電動機的組成 開關磁阻電動機調速系統(tǒng)主要 是 由開關磁阻電動機、功率驅動器、控制器和檢測器四部分組成如圖 。 所以 功率驅動器包括由整流器所產生直流電源和開關元件等。根據(jù)控制器中設定好的控制策略及其相應的算法， 把 外部反饋的電流、位置等檢測輸入量與內部程序中計算得出的給定量進行比較判斷，決定電機的控制方式，并在合理的轉子位置控制功率驅動器中各相主開關器件的開關狀態(tài)，實現(xiàn)機電能量合理、有效的轉化。位置檢測的目的是確定定子與轉子的相對位置，即要用位置傳感器檢測定轉子相對位置，然后位置信號反饋至邏輯控制電路， 從而 確定對應相繞組的通斷。 開關磁阻電動機的性能特點 SRD 系統(tǒng)具有十分突出的性能優(yōu)點： 、成本低、適用于高速場合 SR 電機的結構甚至比通常被認為是最簡單的鼠籠式感應電機還要簡單。 ，有很高的運行可靠性 SR 電機的運轉不同于傳統(tǒng)的電機運轉機理。本系統(tǒng)可以構成可靠性很高的系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的 PWM 變頻器功率電路中每橋臂兩個功率開關直接跨在直流電源側，容易發(fā)生直通短路燒毀功率元件。一般典型產品的數(shù)據(jù)是 :起動電流為 10%額定電流時，獲得的起動轉矩為 100%額定轉矩；起動電流為額定值的 30%時，起動轉矩可 達到其額定值的150%。目前， SR 電機轉速的控制模式主要有以下幾種 : (1) 角度位置控制 APC 方式。 (2) 電流斬波控制。開關角固定不變，繞組不同的外施電壓對應不同的轉矩轉速曲線，因此可以通過調節(jié)加在繞組上的電壓來控制電機轉速。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 48 頁 2 開關磁阻電動機的原理與控制 開關磁阻電動機的結構原理 SR 電機在結構上與步進電機相似，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。通常轉子的極數(shù)比定子極數(shù)少 2 個，少于三相的 SR電機沒有自起動能力，因此，對于要求自起動、四象限運行的驅動場合，應優(yōu)選表 21 所示的結構類型。當定子某相繞組通電時，所產生的磁阻由于慈利縣扭曲而產生切向磁拉力，試圖使相近的轉子極旋轉到其軸線與該定子及軸線對齊的位置，即磁阻最小位置。 C 相斷電， B 相通電，則使轉子順時針轉過 30176。 如此循環(huán)往復，定子按 A→ C→ B→ A...的順序通電，電機便沿順時針方向旋轉。...,( 321 ?qj iiii??? 進一步考察 SR 電機能量流，有 ??? ?ddLIILdtdIU jjJjjj 2)21( 22 上式表明，輸出功率的一部分轉為磁場儲能增量，另一部分則為輸出的機械功率，可以說 SR 電機正是利用其不斷的能量儲 存，轉換而獲得高效、大功率的性能。 (3) 功率管開關動作瞬時完成。 圖 繞組電感 L 與轉子位移角θ的關系 開關磁阻電動機的調速控制方式 開關磁阻電動機是一種典型的機電一體化裝置。這個層面上的控制是種通用技術， 能夠應用在其它電機上的控制理論基本上都可以應用在開關磁阻電機上，而電機層面上的控制則是開關磁阻電機所特有的，下文將對其具體控制策略加以總結和討論。電流斬波控制是通過固定開通角 on? 、關斷角 of? ，通過主開 關器件的多次導通關斷將電流限制在給定范圍內實現(xiàn)電機恒轉矩控制。因此， CCC 方式同樣具有簡單直接，可控性好的特點，也避免了 APC 方式中的“敏感”問題，與后面的電壓PWM 方式相比，也具有較小的開關損耗，是比較常用的控制方式。角度位置控制的控制非常靈活，但on? 與 of? 的組合非常多，使得控制參數(shù)的選擇較為復雜，這就存在一個角度位置控制參數(shù)優(yōu)化的問題。實際采用的 APC 調節(jié)法，一般都先優(yōu)化固定 of? ，然后通過閉環(huán)調節(jié) on? 。因此，這種方式比較適合在短時間里快速達到期望電流的場合，如較高機械轉速下的控制。通過對轉速的給定值和實際轉速的反饋值之差進行 PI 運算，調節(jié) PWM 信號占空比，達到轉速 快速響應。綜合考慮幾種控制方式的適用范圍和優(yōu)缺點，本設 計采用了單一的控制方式脈寬調制 (PWM)控制方式。 在起動瞬間 0?r? ，故旋轉電動勢為零，若加額定電壓 Us 直接起動，相電流將過大，由此產生的過大動態(tài)沖擊轉矩可能會損壞電動機和傳動機構，甚至燒毀電機繞組的開關器件，因此必須在起 動期間采用電流斬波控制方式限制起動電流的幅值。 ② 外電阻制 動，開關控制外界一相電阻跨接電機繞組，利用繞組自身的反電動勢形成方向轉矩，達到制動的目的?？諝鈩恿υ肼曈呻姍C內的冷卻風扇產生，主要由風扇的型式、風葉和通風道及進出口的結構設計決定，該噪聲占整個噪聲的比例一般是比較小的。磁吸力可分成兩個方向的分量 :切向磁吸力和徑向磁吸力，切向磁吸力正是所需要的使電機運行的電磁轉矩。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 48 頁 3 系統(tǒng)總體設計 本次畢設課題的主要任務是完成開關磁阻電動機控制系統(tǒng)的設計，達到基本的運轉和調速的功能。作用是向單片機端口正確提供轉子位置信息，依此對功率變換器進行控制，從而控制整個電機的運行。由于光電脈沖發(fā)生器輸出的位置脈沖信號有一定的上升和下降沿，所以光電三極管輸出電壓經比較器整形后輸出。因此開關磁阻電機的電流檢測器需具備如下特點 : (1) 快速性能好，從電流檢測到控制主開關器 件動作的延時盡量??； (2) 被測主電路 (強電部分 )與控制電路 (弱電部分 )間應良好隔離，且有一定 的抗干擾能力 : 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 48 頁 (3) 靈敏度高，檢測頻帶范圍寬，可測含有多次諧波成分的直流電流； 對于三相開關磁阻電機，一般需要三個霍爾電流傳感器來檢測每一相的電流。這種傳感器的精度高、線性度好、溫漂低、反應時間快， 而且抗干擾能力和電流過載能力強，可以滿足上述要求。 利用霍爾效應檢測電流目前有直接檢測式和磁場平衡式兩種方法。 圖 霍爾電流傳感器檢測電路 磁平衡式電流傳感器也稱補償式傳感器，即主回路被測電流 pI 在聚磁環(huán)處所產生的磁場通過一個次級線圈，電流所產生的磁場進行補償， 從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。 ADC0832 是 8 位分辨率 A/D 轉換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應一般的模擬量轉換要求。但由于 DO 端與 DI 端在通信時 并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。在第 1 個時鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須是高電平，表示啟始信號。在啟動階段，用逐步增大電流限值實現(xiàn)軟起動功能；低俗時，完成電流斬波控制；在高速運行時，主要為過流保護。 下面對 SRD 功率驅動器幾種常見的典型線路結構，進行各性能和特點的分析，通過比較綜合，得出適合本論文研究的功率變換器主電路結構。當 V1， V2中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 22 頁 共 48 頁 同時導通時， VD 1, VD2 截止，電源 Us 向電機相繞組 A 供電，產生相電流 Is。 綜上所述，不對稱半橋線路適宜在高壓、大功率及 SRM 電動機相數(shù)較少的場合下應用。為保證上、下各相工作電壓對稱，此方法只適用于偶數(shù)相。 圖 三相橋式全控整流電路原理圖 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 48 頁 開關器件的選擇 主開關器件是構成功率驅動器的重要部分，關系到功率驅動器是否能夠迅速、準確、安全地開通與關斷。一般，開關磁阻電機的功率驅動器要求所選用的主開關器件具有電壓、電流的過載能力好，開關頻率高，可方便的換流等特點。 圖 AT89C51 芯片引腳圖 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 48 頁 每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結合單片機內部的電路，產生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。 圖 位置信號邏輯處理示意圖 速度顯示電路設計 單片機并行 I/O 口數(shù)量總是有限的，有時并行口需作其他更重要的用途，一般也不會用數(shù)量眾多的并行 I/O 口專門用來驅動顯示電路，用單片機的串行通信口加上少量 I/O 及擴展芯片用于顯示電路。當清除端（ CLEAR）為低電平時，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。 單片機的串行口設置在工作方式 0，串行數(shù)據(jù)從單片機 RXD 引腳輸出，移位時鐘由 TXD 送出。 圖 74LS164 與數(shù)碼管接線圖 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 48 頁 單片機控制系統(tǒng)外接口電路示意圖 aa 圖 單片機控制系統(tǒng)外接口電路 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 48 頁 7 軟件設計 本文以 STC89C51 為核心構成的 SRD 系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調速方法，系統(tǒng)有兩個反饋環(huán)，即速度外環(huán)和電流內環(huán)。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)調用起動程序，完成系統(tǒng)的軟起動。因此， PWM 調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的轉速，當電機轉速大于 100r/min 時，認為起動階段已經結束 ?？刂扑惴ㄊ褂?PI 控制，通過對位置檢測器產生的中斷時間的處理，計算電機當前的轉速并與給定值 (由模數(shù)轉換輸入 )比較，誤差作為 PI 速度調節(jié)器的輸入， PI 的輸出用來調節(jié)單片機的 PWM 口的占空比，從而調節(jié)加在 SR 電機相繞組兩端 的平均電壓達到調節(jié)電機轉速的目的。只能用軟件清除，但 T2 作為波特率發(fā)生器使用的時候， (即 RCLK=1 或 TCLK=1),T2 溢出時不對 TF2 置位。 TR2： T2 的啟動控制標志； TR2=0：停止 T2； TR2=1：啟動 T2 C/T2： T2 的定時方式或計數(shù)方式選擇位。但是如果 RCLK=1 或 TCLK=1 時， CP/RT2 控制位不起作用的，被強制工作于定時器溢出自動重裝載模式。在系統(tǒng)中軟件設定，當設定期望的轉速和當前的轉速的差值大于 5r/min 時，便進行電機調速。比例系數(shù) Kp 的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，提高系 統(tǒng)的調節(jié)精度。積分系數(shù) K，的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差， Ki 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 Ki，過大，在響應過程的初期會產生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調。即 : ? ? ? ? ? ?? ? ? ?TiTTpT keKkekeKku ???? ? 1 PI 控制器的輸出作為 PWM 口占空比的增量， PWM 口的原輸出與 PI 控制器的輸出增量相加作為新的占空比輸出，從而調節(jié)加在 SR 電機相繞組上的電壓。在這種工作模式下，串行口的波特率固定為 fosc / 12，發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)都是 8 位，數(shù)據(jù)由低位到高位依次傳輸。 中斷程序設計 本系統(tǒng)程序設計應用最多的程序便是中斷程序： (1) 定時器 T0 中斷 和 T1 中斷 交替定時完成換相時開通角、關通角的定時和PWM 波占 、 空時間的定時。 8 SIMULINK 原理仿真 MATLAB/ SIMULINK 是建立仿真模型的理想環(huán)境 ， 它不但直觀、便捷、準確 ， 而且 MATLAB 的工具箱為實現(xiàn)多種控制策略提供了可能 。 圖 開關磁阻電機模塊圖 其中， TL 端為電動機外帶負載的輸入斷； A1 為 A 相電流的輸入端， A2 為A 相電流輸出端，依次為 B 相和 C 相的電流輸入和輸出端； m 為電機運轉狀態(tài)輸出端，包括相磁通量、相電流、輸出轉矩和轉速。此外，經 z變換后得到轉角，即可以設定每相的開通角和關通角，在此設開通角為 40 度，關通角為 75 度，如圖 83 所示。其完整系統(tǒng)如圖 85。 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 38 頁 共 48 頁 圖 轉矩波形圖 中北大學 20xx 屆畢業(yè)設計說明書 第 39 頁 共 48 頁 參考文獻 [1] 趙建領 , 弓雷 . 51 單片機開發(fā)寶典 [M]. 北京 : 電子工業(yè)出版社 , . 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