【正文】 調(diào)速信 號采集系統(tǒng)設(shè)計 ........................................ 18 保護電路設(shè)計 ................................................ 19 5 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 ..................................................... 21 驅(qū)動電路設(shè)計 ................................................ 21 開關(guān)器件的選擇 .............................................. 24 6 主控系統(tǒng)設(shè)計 ..................................................... 24 單片機系統(tǒng) .................................................. 24 信號邏輯處理電路 ............................................ 25 速度顯示電路設(shè)計 ............................................ 25 7 軟件設(shè)計 ......................................................... 28 主程序設(shè)計 .................................................. 28 啟動程序設(shè)計 ............................................... 29 主控模塊設(shè)計 ................................................ 30 測速和換相程序設(shè)計 .......................................... 31 調(diào)速模塊設(shè)計 .............................................. 33 速度顯示模塊設(shè)計 ............................................ 34 中斷程序設(shè)計 ................................................ 34 8 SIMULINK 原理仿真 ............................................... 35 電機模塊 .................................................... 35 功率驅(qū)動模塊 ................................................ 35 位置檢測模塊 ............................................... 36 PI 調(diào)速模塊 ................................................. 36 系統(tǒng)仿真及結(jié)論 ............................................. 37 參考文獻 ........................................................... 39 附錄Ⅰ 電路圖 ...................................................... 40 附錄Ⅱ 程序清單 .................................................... 41 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 48 頁 1 開關(guān)磁阻電動機概述 新一代的調(diào)速電機，開關(guān)磁阻電機調(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)磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固 的 優(yōu)點， 因為 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。 它的 機構(gòu)為軸向氣隙電動機。 近 20 年來， SR 電機的研究在國內(nèi)外取得了很大的發(fā)展，作為一種新型調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，研究的歷史較短，技術(shù)涉及到電 機、微電子、電力電子、微機、控制、機械及工程應(yīng)用等眾多學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)，變頻調(diào)速感應(yīng)電機、無換向器直流電機等經(jīng)歷幾個年代的開發(fā)推廣，目前領(lǐng)先一步， 其 有著極其廣闊的市場前景。 3．控制器 控制器是整個調(diào)速系統(tǒng)的核心，起 著 決策和指揮作用。因此開關(guān)磁阻電機的電流檢測器應(yīng) 該 具有快速性好，靈敏度高，單向電流檢測，線性度好，抗干擾的優(yōu)點。 在 控制結(jié)構(gòu)上看，SR 電機各相電路各自給一相繞組供電，也是相互獨立工作，由此可知，當(dāng) SR電機一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時，只需停止該相的工作，在控制方面并不需要對其他相做任何變動。 控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機側(cè)得到較大的起動轉(zhuǎn)矩是 SRD 的一大特點。適合于電機較高速運行區(qū)。其次，可控參數(shù)多，控制靈活，易于在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)高效優(yōu)化控制。 SR 電機可以設(shè)計成單相、兩相、三相、四相以及多相等不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，相數(shù)越多，則步進角越小，這樣有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開關(guān)器件多，成本高。 。 一臺 q 相 SR 電機，假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對稱，根據(jù)電路定律可以寫出 SR 電機第 j 相的電動勢平衡方程式： dtdIRU jjjj ??? 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 48 頁 在 SR 電機中，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： )。圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角 (機械角 )，它的基準(zhǔn)點即坐標(biāo)原中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁 共 48 頁 點θ =0 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。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 48 頁 電流斬波控 制（ CCC）方式 開關(guān)磁 阻電機在基速 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)矩機械特性，采用電流斬波控制（ CCC） 方式。角度位置控制方式是調(diào)節(jié)開 通角 on? 、關(guān)斷角 of? ，改變相 繞組相對于電感位置的勵磁區(qū)域，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩。這種方式比較簡便，中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 48 頁 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。由于一般要求電動機轉(zhuǎn)速范圍較寬，負載轉(zhuǎn)矩適用范圍也較寬，中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 48 頁 為了使電動機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。這種方式可實現(xiàn)快速制動，缺點是對傳動機構(gòu)的扭矩沖擊比較中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 48 頁 大，不適合大負載的設(shè)備。 當(dāng)給 SR 電機一相繞組通電時，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。 圖 硬件系統(tǒng)框圖 4 信號采集系統(tǒng)設(shè)計 位置信號采集系統(tǒng)設(shè)計 位置傳感器是開關(guān)磁阻電機的關(guān)鍵部件和特征部件。單相、脈動以及波形隨運行方式和運行條件變化很大是開關(guān)磁阻電機相電流的基本特點。但霍爾電壓 HU 一般只有幾十毫伏，應(yīng)而后面必須加放大器。本設(shè)計考慮到單片機 I/O 口線緊張的情況，決定采用一個串行的AD 來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的任務(wù)。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK 輸入時鐘脈沖， DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。若 UAC 大于 Uref， 則 IAC為 0； 當(dāng)相反時，則為 1 圖 電流斬波和過流保護電路 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 48 頁 圖 過電壓檢測的電路圖 圖 欠電壓保護的電路圖 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 48 頁 5 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 功率驅(qū)動器是 SR 電動機運行時所需能量的供給者，在整個 SRD 成本中功率驅(qū)動器占有很大比重，合理選擇和設(shè)計功率變換器是保證 SRD 系統(tǒng)具有較高選取對 SR 電機的設(shè)計也直接產(chǎn)生影響，應(yīng)根據(jù)具體性能，使用場所等方面綜合考慮，找出最佳組合方案， 性能優(yōu)良的功率 驅(qū)動器應(yīng)具有以下特點： （ 1） 最少的開關(guān)元件數(shù)； （ 2） 保證電源電壓全部施加于相繞組； （ 3） 開關(guān)元件的額定值接近于電動機額定電壓； （ 4） 開關(guān)的調(diào)制可有效地控制繞組電流的通斷； （ 5） 具備使繞組電流迅速上升的能力。這種接線，除了電動機繞組與每相開關(guān)串聯(lián)，不存在上下橋臂直通的故障隱患外，它頗像三相異步電動機 PWM 逆變器電路。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 48 頁 圖 分裂式功率驅(qū)動電路 在目前的各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，而本設(shè)計的要求即為采用三相橋式全控電路，其原理圖如下圖所示，其中陰極連接在一起的三個晶閘管稱為共陰極組；陽極連接在一起的三個晶閘管稱為用陽極。 其引腳分布如圖 所示。 圖 74LS164 芯片 DIP 引腳圖 AT 89C51 T2EX（ ） 信號 A 信號 B 信號 C =1 =1 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁 共 48 頁 CLOCK 時鐘輸入端， CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效）， A， B 串行數(shù)據(jù)輸入端， QA－ QH 輸出端。 74LS164 與數(shù)碼管的連接如圖 所示。系統(tǒng)起動后首先調(diào)用初始化子程序，完成諸如具有復(fù)用功能的 I/O 腳的選擇和設(shè)置、各種中斷功能的選擇及其設(shè)置、系統(tǒng)變量的初始化，最后完成開中斷。運行模塊是本系統(tǒng)程序的主要部分，主要是用來保證系統(tǒng)在給定的轉(zhuǎn)速下正常運行。 EXEN2： T2 的外部允許標(biāo)志，只能通過軟件的置位或清除； EXEN2=0：禁止外部時鐘觸發(fā) T2； EXEN2=1： 當(dāng) T2 未用作串行波特率發(fā)生器時，允許外部主控程序開始 讀取 AD 轉(zhuǎn)換值 PI 算法程序 占空 比限幅 速度顯示 主控程序結(jié)束 是否停止 是 否 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 32 頁 共 48 頁 時鐘觸發(fā) T2，當(dāng) T2EX 引腳輸入一個負跳變的時候，將引起 T2 的捕獲或重裝，并置位 EXF2，申請中斷。 圖 測速及換相流程圖 測速程序開始 T2 記滿溢出 保存捕獲時間 計算開通角 初始化 T0、開 T0 初始化 T2 測速程序結(jié)束 否 是 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 33 頁 共 48 頁 調(diào)速模塊設(shè)計 系統(tǒng)控制的最終目的是實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速能達到期望的轉(zhuǎn)速。積分控制能記憶系統(tǒng)的誤差并進行誤差累積，從而最終消除系統(tǒng)靜差。串口模式 當(dāng)設(shè)置 SM0、 SM1 的值分別為 0、 0 時，通用串行口工作在同步移位寄存器輸出模式。 (3) 定時器 T2 完成測速和換相的任務(wù)，具體流程圖如圖 所示。 圖 驅(qū)動模塊 圖 位置檢測模塊 此模塊用于得到各相的開關(guān)信號，并與 PI 調(diào)速模塊送出的 PWM 波相與。同時，啟動時轉(zhuǎn)矩均值明顯大于勻速時的轉(zhuǎn)矩均值，說明 SRM 電動機具有大轉(zhuǎn)矩啟動的特性。 圖 83 位置檢測模塊圖 PI 調(diào)速模塊 PI 調(diào)速模塊分兩部分組成： PI 算法部分和 PWM 生成部分。 另外 ， 使用MATLAB 的中的各種分析工具 ， 還可以對仿真結(jié)果進行分析和可視化 ， 使 仿真研究更有效率。 同步模式將數(shù)據(jù)放入發(fā)送寄存器 SBUF 時啟動發(fā)送功能，串行口把數(shù)據(jù)從RXD 引腳送出，低位在前，高位在后，發(fā)送完后將中 斷標(biāo)志 TI 置位， TXD 引腳輸出同步移位脈沖。由于加入了積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)不可避免的會存在滯后 特性， 積分作用太強則會使超調(diào)過大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞，以至于引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。