【正文】 速運(yùn)轉(zhuǎn)。 SR 電機(jī)的可控變量一般有施加于相繞組兩端的電壓 U、相電流 I、開(kāi)通角和關(guān)通角等。只是這種控制下，電流的斬波頻率不固定 ，它隨著電流誤差變化而變化，不利于電磁噪聲的消除。對(duì)于調(diào)速范圍較寬的，可以分段優(yōu)化固定 of? ，然后再對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)在于導(dǎo)通角度始終固定，功率元件開(kāi)關(guān)頻率高，開(kāi)關(guān)損耗大，影響了系統(tǒng)效率。此外，在負(fù)載極小的情況下可以配合 PWM 斬波實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，或者實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速待機(jī)狀態(tài)。電磁噪聲是 SR 電機(jī)噪聲的主要組成部分，轉(zhuǎn)子徑向的單邊磁拉力和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是噪聲的主要來(lái)源，尤其是當(dāng)徑向磁拉力的諧波頻率與定子固有頻率一致時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲和振動(dòng)。從硬件上來(lái)說(shuō)本次設(shè)計(jì)主要分三大部分：信號(hào)采集 系統(tǒng)部分，主控系統(tǒng)部分和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部分。 原理圖如圖 所示。 霍爾元件（ HL）檢測(cè)電流的工作原理可用圖 來(lái)說(shuō)明。當(dāng)原邊導(dǎo)線經(jīng)過(guò)電流傳感器時(shí)，原邊電流 pI 會(huì)產(chǎn)生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應(yīng)電壓，通過(guò)后續(xù)電子電路可把這個(gè)微小的信號(hào)轉(zhuǎn)變成副邊電流 sI ，并存在以下關(guān)系式： 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 48 頁(yè) ppss NINI ? 因此，測(cè)得 sI 數(shù)值就能間接反映出被測(cè)電流 pI 的大小。當(dāng) ADC0832 未工作時(shí)其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的電平可任意。電流斬波控制電路采用滯環(huán)比較器。當(dāng) V1， V2 同時(shí)關(guān)斷時(shí)， A 相繞組產(chǎn)生的反向電壓回流，則 VD1, VD2 正向?qū)ǎ?Is 通過(guò) VD1, VD2 以及儲(chǔ)能電容 Cs 續(xù)流， Cs 將吸收 A 相繞組部分磁場(chǎng)能量。每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管的額定電壓為 Us+△ U(△ U 系因換相引起的任一瞬變電壓 )，而加到通電電動(dòng)機(jī)兩端的電源電壓僅為 Us/2(這樣與不對(duì)稱橋式電路相比，繞組就應(yīng)通以兩倍的電流 )，因此電容量和電源電壓的定額將顯著增加。 本設(shè)計(jì)中要求采用 MOSFET，功率 MOSFET 屬于電壓控制型器件，工作頻率高、開(kāi)關(guān)速度快，很適合作低壓、小功率 SR 電動(dòng)機(jī)功率變換器的主開(kāi)關(guān)器件。速度顯示利用 74LS164 芯片擴(kuò)張 8 位 LED 串行顯示接口電路。將 74LS164 的 A、 B 端與 RXD 相連， CLK 與 TXD 相連 MR 接高電平，在滿足條件時(shí)數(shù)據(jù)就傳送到 74LS164 并寄存。中斷處理程序?yàn)?:定時(shí)器 T0 周期中斷服務(wù)程序、定時(shí)器T1 周期中斷服務(wù)程序、 INT1 過(guò)流中斷處理程序。啟動(dòng)程序如圖72 所示。 EXF2：當(dāng) EXEN2=1 時(shí)，且 T2EX 引腳（ ）出現(xiàn)負(fù)跳變而造成 T2 的捕獲或重裝的時(shí)候， EXF2 置位并申請(qǐng)中斷。 本文利用了定時(shí)器 T2 的捕獲模式，即捕獲了電機(jī)需要換相的時(shí)刻，又捕獲了兩次換相的時(shí)間間隔，間接得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 Kp 越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快， 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定； Kp 取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞。 PI 調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖 所示。 PI 算法程序開(kāi)始 ? ? ? ?1???? kkpT eeKku ? ? ? ? kiTT eKkuku ???? kk ee ??1 PI 算法程序結(jié)束 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 35 頁(yè) 共 48 頁(yè) (2) 外部中斷 1 為過(guò)流保護(hù)中斷，作用為接受到過(guò)流的低電平信號(hào)后即產(chǎn)生中斷，中斷輸出信號(hào) 毫秒后恢復(fù)輸出。 功率驅(qū)動(dòng)模塊 此模塊主要用于驅(qū)動(dòng) SRM 的 A、 B、 C 三相，由控制信號(hào) G 控制各相開(kāi)關(guān)中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 36 頁(yè) 共 48 頁(yè) 器件（ IGBT）的導(dǎo)通，將電源的電能輸送給 SRM。 圖 SRD 系統(tǒng)仿真圖 仿真得到的轉(zhuǎn)速波形如圖 ，給定 1500r/min，而最終速度也穩(wěn)定在1500r/min。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 37 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 PWM波生成 圖 系統(tǒng)仿真及結(jié)論 將上述模塊連接成一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到換相， PI 調(diào)速環(huán)和限流環(huán)的目的，同時(shí)還要根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角信息做出換相處理。 電機(jī)模塊 在 MATLAB/ SIMULINK 元件庫(kù)中有開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)模塊，模塊圖如圖 。 單片機(jī)串口在發(fā)送 8 位數(shù)據(jù)的時(shí)候，先發(fā)送低位的數(shù)據(jù)再發(fā)送高位的數(shù)據(jù)，所以在程序編寫時(shí)應(yīng)注意發(fā)送數(shù)據(jù)的順序。所謂增量式 PI 是對(duì)位置PI 取增量 .數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出只是增量值。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 ： (1) 比例環(huán)節(jié) :成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差，使被控對(duì)象的輸出朝著誤差減小的方向變化。 CP/RT2=0 時(shí)，選擇重裝載方式，這時(shí)若 T2 溢出（ EXEN2=0 時(shí)）或者 T2EX 引腳 （ ）出現(xiàn)負(fù)跳變（ EXEN2=1 時(shí)），將會(huì)引起 T2 重裝載； CP/RT2=1 時(shí)，選擇捕獲方式，這時(shí)若 T2EX 引腳（ ）出現(xiàn)負(fù)跳變（ EXEN2=1 時(shí)），將會(huì)引起 T2 捕獲操作。 T2 的控制寄存器 區(qū)別于定時(shí)器 T0 和 T1，在定義是需單獨(dú)定義，其 功能描述如下： T2CON（ T2 的控制寄存器） ,字節(jié)地址 0C8H： 符 號(hào) ： TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RT2 TF2：定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 溢出標(biāo)志， T2 溢出時(shí)置位，并申請(qǐng)中斷。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 主程序流程圖 啟動(dòng)程序設(shè)計(jì) SR 電機(jī)起動(dòng)時(shí)，相繞組的通電時(shí)間長(zhǎng)，從而造成相電流周期長(zhǎng)、磁鏈及電流峰值大，容易導(dǎo)致功率變換器主電路中的主開(kāi)關(guān)器件的損壞。 軟件的模塊程序大體分為 :主程序 和 中斷處理程序。當(dāng) A、 B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)， 并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。 其邏輯關(guān)系如圖 。這些器件的性能各不相同，適用場(chǎng)合也不盡相同。當(dāng) SB導(dǎo)通時(shí)， B 相 Cs 向繞組供電； SB 斷開(kāi)時(shí)，繞組經(jīng) VD 續(xù)流向 C 相 Cs 充電，依次向 D 相充電。其中上下兩只主開(kāi)關(guān)管是同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷的。 圖 ADC0832 引腳圖 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 48 頁(yè) 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中， 不同的速度范圍內(nèi)，電流斬波和過(guò)流保護(hù)電路完成不同的功能。 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為 4條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、 DI。其工作原理如圖 所示?；魻栯娏鱾鞲衅魇菄?guó)際上電子線路中普遍采樣的電流檢測(cè)元件。 CG1 和 CG2 是光電斷續(xù)器， R1R4 是限流電阻，其值一般為110K。在脈動(dòng)的徑向磁吸力作用下，轉(zhuǎn)子由于可視為實(shí)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(dòng)，可等效為由阻尼器、彈簧及質(zhì)量所組成的系統(tǒng)，振動(dòng)通過(guò)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(huì)十分嚴(yán)重。 理論分析和實(shí)驗(yàn)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(guò)提高制造質(zhì)量予以控制。SR 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)比較簡(jiǎn)單，無(wú)需輔助設(shè)備，研究表明，三相或三相以上的 SR電動(dòng)機(jī)可在任意轉(zhuǎn)子位置正、反方向起動(dòng)。 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)。因此角度位置控制往往需要按照控制性能目標(biāo)事先對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的方法有仿真、實(shí)驗(yàn)測(cè)量等。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(duì)電流實(shí)施控制，通過(guò)適當(dāng)誤差帶的設(shè)置可以獲得較為精確的控制效果。該系統(tǒng)的控制具有兩個(gè)層面 :一是，電機(jī)控制層面，即通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)自身的參數(shù)改變電機(jī)的運(yùn)行特性，這一層關(guān)系是直接的；二是，系統(tǒng)控制層面，這個(gè)層面是將控制策略應(yīng)用于開(kāi)關(guān)磁 阻電機(jī)及其外圍的設(shè)備 (控制器、信號(hào)檢測(cè)裝置等 )，并使之為達(dá)到某一控制目標(biāo)協(xié)同運(yùn)作，這種控制是通過(guò)功率變換器間接作用在電機(jī)之上的。 (2) 忽略所有功率損耗。 ，即一個(gè)轉(zhuǎn)子齒極距。 表 SR 電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型 相數(shù) 3 4 5 6 7 8 9 定子極數(shù) 6 8 10 12 14 16 18 轉(zhuǎn)子極數(shù) 4 6 8 10 12 14 16 步進(jìn)角（度） 30 15 9 6 SR 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行遵循“磁阻最小原理” 磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。 第一，步進(jìn)電機(jī)是一般位置開(kāi)環(huán)控制，而 SR 電機(jī)是位置閉環(huán)控制。 (3) 電壓斬波控制方式。 由于 SR 電機(jī)控制參數(shù)多，所以控制器的控制方式也有多種，并不是僅僅依靠控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通，關(guān)斷順序來(lái)進(jìn)行控制。 ，可靠性高。一般來(lái)說(shuō)，中小 SRD，成本可以低于同功率和類似性能的其他現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng) 。 4．位置檢測(cè)器 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是位置閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)各相繞組必須與轉(zhuǎn)子位置同步激勵(lì)，并且轉(zhuǎn)子位置測(cè)量的精度和分辨率直接影響到調(diào)速性能的好壞。 2．功率驅(qū)動(dòng)器 功率驅(qū)動(dòng)器是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的開(kāi)關(guān)部件。因?yàn)?它在很多性能指標(biāo)上達(dá)到了出人意料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到或 著 超過(guò)了工業(yè)中長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動(dòng)系統(tǒng)。 開(kāi)關(guān) 磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 現(xiàn)代 SR 電動(dòng)機(jī)的發(fā)展 開(kāi)始 于 20 世紀(jì) 60 年代，電子工業(yè)的發(fā)展 給 電氣傳動(dòng)領(lǐng)域提供了可靠、低廉、多功能的控制器件。 本文用該設(shè)計(jì)進(jìn)行了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制的模擬試驗(yàn)，達(dá)到了初步的實(shí)驗(yàn)效果，在軟硬件兩方面為以后開(kāi)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(shí)踐。論文以三相 6/4 極 SRM 為研究對(duì)象，完成了以單片機(jī)為核心組成的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用 PWM 控制方式，選用 三相全橋式 功率驅(qū)動(dòng)器主電路，主開(kāi)關(guān)器件選用 功率 MOSFET，設(shè)計(jì)了以單片機(jī) AT89C51 為核心的控制器，主 要對(duì)電流檢測(cè)、位置檢測(cè)、故障保護(hù)和顯示電路等外圍電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具有過(guò)流保護(hù)功能。 power driver。 在 國(guó)外， 70 年代初，美國(guó) FORDMOTOR 公司研制出了最早的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (Switched Reluctance Drive)。 1985 年華中理工大學(xué)研制以 SCR 為功率開(kāi)關(guān)器件的 kW 的 SRD 系統(tǒng)；1987 年，北京紡織機(jī)械研究所 和 南京調(diào)速電機(jī)廠合作開(kāi)發(fā)了 3kW 的 8/6 極、以BJT 為功率開(kāi)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(jí)別的 SR 電機(jī)在山東淄博電機(jī)二廠通過(guò)鑒定； 20xx 年，國(guó)內(nèi)10kW 以上的 SR 電機(jī)已應(yīng)用于煤礦的采煤機(jī)，并 且 開(kāi)始進(jìn)行 180kw 的 SR 電機(jī)在地鐵機(jī)車上的應(yīng)用研制。 SRD 的分類主要取決功率驅(qū)動(dòng)器。單向、脈動(dòng)以及波形隨運(yùn)行方式、運(yùn)行條件不同而變化很大是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相電流的基本特 點(diǎn)。而 SR 電機(jī)各相繞組和磁路相互獨(dú)立，在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 ，低起動(dòng)電流。關(guān)鍵在于將角度量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)速度時(shí)的時(shí)間可控量。 SR 電機(jī)的轉(zhuǎn)子不存在勵(lì)磁及轉(zhuǎn)差損耗，功率變換器開(kāi)關(guān)器件少，相應(yīng)的損耗也小。因此， SR 電機(jī)要突出速度控制和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率，故其設(shè)計(jì)思路大不相同。 當(dāng) A 相通電時(shí) ,因磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，扭曲磁力線產(chǎn)生的切向力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，最總將使轉(zhuǎn)子 13極軸線與定子 AA1極軸線對(duì)其， A相斷電， C相通電，則使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最終使轉(zhuǎn)子 24級(jí)軸線與定子 CC1極軸線對(duì)齊，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 30176。 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本方程 SR 電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、磁路和電路的非線性、開(kāi)關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨 轉(zhuǎn)子位置作周期性變化，定子繞組電流和磁通波形極不規(guī)則，傳統(tǒng)電機(jī)的性能分析方法難以簡(jiǎn)單地用于 SR 電機(jī)計(jì)算，不過(guò) SR 電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程仍然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定率等基本的電磁關(guān)系上，并可由此寫出 SR 電機(jī)的基本平 衡方程式。 在上述假設(shè)條件下的電機(jī)模型為理想線性模型，繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系如圖 3 所示。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制簡(jiǎn)單的說(shuō)就是對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)上述控制參量的不同，主要可分為以下三種控制方式 :角度位置控制 (APC，又叫單脈沖控制 )、電流斬波控制 (CCC，又叫電流 PWM 控制 )、電壓斬波控制 (CVC，又叫電壓 PWM 控制 )。 角度位置控制 （ APC） 方式 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在基速至第二臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較大，繞組電流上升率低，電流較小，為獲得恒功率機(jī)械特性，常采