【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第3章 SRD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 SR電動(dòng)機(jī)的換相原理 SR電動(dòng)機(jī)經(jīng)過前面分析已知，它的轉(zhuǎn)動(dòng)方向只與定子繞組的通電順序有關(guān)，因而可以通過對(duì)各相的通電控制進(jìn)行正方轉(zhuǎn)控制。采用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而根據(jù)獲得的位置信息，將此信息通過80C196kc的HSI端口輸入進(jìn)單片機(jī)，進(jìn)行相關(guān)的位置參數(shù)計(jì)算和轉(zhuǎn)速計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果控制各相主開關(guān)器件的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換相控制。 SRD控制系統(tǒng)原理本次課題設(shè)計(jì)的SRD系統(tǒng)原理圖如下：速度給定ASR)放大驅(qū)動(dòng)綜合邏輯控制ACR功率變換器轉(zhuǎn)速計(jì)算SRMM位置傳感器位置信號(hào)電流檢測(cè)由上面的系統(tǒng)原理圖可知，本次設(shè)計(jì)是基于位置傳感器反饋控制原理的，控制策略的實(shí)現(xiàn)都是基于對(duì)位置信號(hào)的分析處理。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)單元構(gòu)成：（1）速度給定單元；（2）轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)單元；（3）數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器；（4）電流和電壓斬波控制器；（5）電流檢測(cè)環(huán)節(jié)；（6）綜合邏輯控制；（7）功率變換電路。下面將分別對(duì)其中的主要單元進(jìn)行介紹 速度給定單元速度給定單元將轉(zhuǎn)速給定電壓信號(hào)ug的突變部分進(jìn)行積分，使電壓信號(hào)變成較為平緩的變化量，以使系統(tǒng)工作更加平穩(wěn)。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖易知速度給定單元之后還有一個(gè)80C196KC的軟件速度PI調(diào)節(jié)器，且電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性和快速性是相互制約的，故硬件積分器時(shí)間常數(shù)不宜選太大，本次課題選擇時(shí)間常數(shù)為τ=1s，最終輸入到80C196KC芯片中間的A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓為0——5V，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為0——2000rpm。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的數(shù)字信號(hào)綜合轉(zhuǎn)速后的誤差信號(hào)被送入到軟件速度PI調(diào)節(jié)器，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。位置檢測(cè)控制就是通過確定定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，然后將所測(cè)得的位置信號(hào)反饋至邏輯控制電路，進(jìn)而通過計(jì)算對(duì)相應(yīng)繞組的通斷和轉(zhuǎn)速高低進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。常見的位置檢測(cè)器有光敏式、磁敏式等位置檢測(cè)方案。 對(duì)于一個(gè)m相的SR電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子齒極數(shù)為Nr，定子齒極數(shù)為Ns，轉(zhuǎn)子的極距角為： τr=步距角為： 每轉(zhuǎn)步數(shù)為：轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，定子m相繞組需要輪流通電Nr次，故可得SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與每相定子繞組的通電頻率f 的關(guān)系為： n= 功率變換器的開關(guān)頻率為： 本次設(shè)計(jì)采用光敏式檢測(cè)器，它由光電耦合開關(guān)和遮光盤組成，將光電開關(guān)固定在定子上，遮光盤固定在定子上，它的齒、槽與轉(zhuǎn)子的凸極、凹槽數(shù)相等，且齒、槽均勻分布，這樣，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)步進(jìn)角，位置檢測(cè)器的輸出信號(hào)就與此對(duì)應(yīng)變化一次，在一個(gè)轉(zhuǎn)子極距角τr內(nèi)，位置信號(hào)變化m次，當(dāng)轉(zhuǎn)過一個(gè)極距角τr后，位置信號(hào)會(huì)回到起始狀態(tài)，并且位置信號(hào)按此規(guī)律循環(huán)反復(fù)。這樣，就可通過轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)經(jīng)過處理后對(duì)繞組導(dǎo)電的相序進(jìn)行控制。 本次課題采用的樣機(jī)是四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，采用半數(shù)檢測(cè)法，即采用兩個(gè)光電開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，其間的夾角Δθ由下式?jīng)Q定： Δθ=（k1/m）τr (k=1，2，...)可知，兩個(gè)光電開關(guān)之間可以為15176。、45176。、75176。本次位置傳感器的安裝采用45176。，即在某相（A相）定子繞組中心線位置安裝光電開關(guān)V再順時(shí)針轉(zhuǎn)過45176。安裝另一個(gè)光電開關(guān)V2，遮光盤齒槽角間距為30176。電路通電后，位置檢測(cè)電路可以輸出兩路周期為60176。、間隔為15176。的脈沖序列，再通過相間關(guān)系可得基本位置信號(hào)的通電邏輯如下圖31所示：A相B相C相D相SPθθθθθθOOOO 圖31正轉(zhuǎn)時(shí)位置信號(hào)與相繞組通電邏輯（θon=0176。，θon=30176。）根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)位置檢測(cè)信號(hào)和對(duì)應(yīng)相電感的關(guān)系，可以確定SR電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)各相主開關(guān)器件的切換邏輯。據(jù)此，可得到SR電動(dòng)機(jī)分別在正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的真值表（假定逆時(shí)針為正）： 表31SR電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行真值表 逆時(shí)針運(yùn)行 順時(shí)針運(yùn)行S PA 相B 相C 相D 相S PA 相B 相C 相D 相1 1ONOFFOFFON1 1ONONOFFOFF0 1ONONOFFOFF0 1ONOFFOFFON0 0OFFONONOFF0 0OFFOFFONON1 0OFFOFFONON1 0OFFONONOFF上表是SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的基本控制邏輯。每相繞組在傳感器信號(hào)的高低電平下的通斷如上表。微控制器通過捕獲S、P傳感器信號(hào)的突變沿來進(jìn)行位置同步和計(jì)算轉(zhuǎn)速，再通過延遲時(shí)間和角位移之間的函數(shù)關(guān)系，在高速運(yùn)行階段得到PI調(diào)節(jié)輸出的θon和θoff，在低速運(yùn)行階段得到固定角度的θon和θoff，控制器據(jù)此給出各相繞組通斷的控制信號(hào)。 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是SR電動(dòng)機(jī)控制時(shí)序的決策依據(jù)，在前文中已有詳述。根據(jù)SR電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)各相繞組切換的真值表，以進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)控制。下面將就方案的具體實(shí)施和測(cè)速原理進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)子位置信息經(jīng)80C196KC具有捕獲功能的輸入端口HSI來檢測(cè)。將轉(zhuǎn)子上位置傳感器上得到的方波信號(hào)先后進(jìn)行分壓濾波、電平轉(zhuǎn)換，在控制寄存器中將捕獲中斷事件的方式設(shè)為上下沿都觸發(fā)的方式，這樣每經(jīng)過一個(gè)步距角（15176。），就可通過硬件中斷從位置傳感器S或P上面獲得一個(gè)脈沖突變沿，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，就可通過讀HSI狀態(tài)寄存器相應(yīng)位的狀態(tài)進(jìn)而判斷是上升沿或者是下降沿?？蓳?jù)此來進(jìn)行位置同步、控制相序。位置信號(hào)由高速輸入口記錄在十六位時(shí)間寄存器中，根據(jù)位置檢測(cè)原理，可由兩次脈沖沿觸發(fā)時(shí)刻之差來計(jì)算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過l5176。所用的時(shí)間從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速而進(jìn)行轉(zhuǎn)速刷新。此外，一路位置信號(hào)轉(zhuǎn)過一個(gè)周期（60176。）的時(shí)鐘數(shù)除以60，這可以得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1176。所對(duì)應(yīng)的時(shí)間值，以該值為基本單位t標(biāo)，將它與導(dǎo)通角θon或者關(guān)斷角θoff所需的延遲角度相乘，就可得到與之相對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間，寫入高速輸出口HSO的命令寄存器，在不經(jīng)過CPU干預(yù)的情況下，將自動(dòng)產(chǎn)生各相通斷允許信號(hào)，這在綜合邏輯控制單元中是相導(dǎo)通的一個(gè)重要邏輯判據(jù)。 數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器 數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電動(dòng)機(jī)斬波電流和導(dǎo)通角自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，是速度位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重中之重，它與控制策略的實(shí)施和控制品質(zhì)的優(yōu)劣直接相關(guān)。所以經(jīng)典的PID在連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，控制靈活，參數(shù)整定方便。但由于SR電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能較好，一般使用比例和積分環(huán)節(jié)，即PI調(diào)節(jié)，就可以勝任SR電機(jī)的調(diào)速控制。本次設(shè)計(jì)中80C196KC對(duì)斬波電流幅值、導(dǎo)通角度的調(diào)節(jié)都是采用PI控制，其計(jì)算表達(dá)式為： 式中： —— 調(diào)節(jié)器的輸出； Kp——比例系數(shù)；e——調(diào)節(jié)器的輸入，此處為設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差；——積分常數(shù)； ——控制基準(zhǔn)，常取輸出控制量取取值范圍的中間值。由上式易看出，PI調(diào)節(jié)器的比例調(diào)節(jié)的輸出與偏差成正比，且偏差越大，調(diào)節(jié)速度越快；積分環(huán)節(jié)對(duì)存在的偏差進(jìn)行積分，可以消除靜差。因而PI調(diào)節(jié)器兼具比例環(huán)節(jié)的快速性和積分環(huán)節(jié)能消除靜差的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)的控制采用采樣控制，因而上式中的積分項(xiàng)可以用數(shù)學(xué)方法逼近：設(shè)t=iT(T 為采樣周期)表示采樣時(shí)間，則上式可離散化為： 在實(shí)際控制系統(tǒng)中，采用APC控制時(shí)，常采用固定關(guān)斷角θoff，調(diào)節(jié)θc的控制方法，先通過計(jì)算機(jī)算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速的最佳關(guān)斷角θoff，將這個(gè)值存到存儲(chǔ)器中，再由PI調(diào)節(jié)器算出導(dǎo)通角θop，用θoff θop就可得到開通角θon，進(jìn)而完成APC控制。 電流檢測(cè)環(huán)節(jié) 電流檢測(cè)是SRD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低速電流斬波控制、過流保護(hù)的基礎(chǔ)，只有得到精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流，才能進(jìn)行高性能的實(shí)時(shí)控制。電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的主要作用有以下二點(diǎn)，一是將檢測(cè)得到的實(shí)時(shí)電流作為電流調(diào)節(jié)的控制參量，在起動(dòng)、低速運(yùn)行和加速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)和導(dǎo)通角度限制；二是監(jiān)測(cè)功率變換電路判斷是否存在過電流故障，以便進(jìn)行過流保護(hù)和故障處理。常用的電流檢測(cè)方法由通過電阻采樣和通過霍爾傳感器采樣兩種。電阻采樣法功耗高，且檢測(cè)靈敏度較低，此外電流檢測(cè)的線性度亦不好；而霍爾傳感器相對(duì)靈敏度更高，本身還有自保護(hù)功能，因而適用更廣。本次設(shè)計(jì)就采用霍爾傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)。 電流和電壓斬波控制調(diào)節(jié)器 電流和電壓斬波控制調(diào)節(jié)器是執(zhí)行控制策略的重要單元，包括軟件和硬件兩個(gè)組成部分。功能是實(shí)現(xiàn)角度控制、電流控制、電壓控制等控制方式，根據(jù)數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)改變控制參數(shù)，進(jìn)行控制方式的切換。 在課題采用的基本的控制方式是在基速Ω1以下實(shí)行電流斬波控制，Ω1以上實(shí)行變角度的電壓PWM斬波控制。 80C196KC的控制信號(hào)最終是由綜合控制邏輯發(fā)出的。這個(gè)部分主要綜合了控制方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)、各相繞組通斷切換信號(hào)以及故障判斷信號(hào)等，輸出一個(gè)符合電動(dòng)機(jī)相數(shù)的并且實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制方式的多路信號(hào)，該信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)電路板。由它來驅(qū)動(dòng)功率器件的通斷。 在SRD系統(tǒng)中，由IGBT構(gòu)成的主回路及其IGBT的驅(qū)動(dòng)電路合并為一個(gè)完整的功率變換環(huán)節(jié)。功率變換器在SRD控制系統(tǒng)中的作用是無可比擬的，其價(jià)格在整個(gè)SRD系統(tǒng)中也占有主要的比重，因此，設(shè)計(jì)合理完善的功率變換器是提高整個(gè)SRD系統(tǒng)性能、提升價(jià)格比的關(guān)鍵之一。功率變換器是直流電源和SR電動(dòng)機(jī)的接口，同時(shí)為系統(tǒng)的儲(chǔ)能提供回饋路徑。性能優(yōu)良的功率變換器應(yīng)該具備以下幾個(gè)條件：主開關(guān)元件數(shù)量較少；能將直流電源的電壓全部加到電動(dòng)機(jī)相繞組上；主開關(guān)器件電壓額定值與SR電動(dòng)機(jī)接近，一般略高；開關(guān)器件反應(yīng)是瞬時(shí)的；可通過對(duì)主開關(guān)器件的調(diào)制來控制相電流；能提供繞組儲(chǔ)能的回饋路徑。常用的功率主電路由雙開關(guān)型、雙雙繞組型、電容分壓型、H橋型公共開關(guān)型幾種。本次設(shè)計(jì)采用電容分壓型主電路，具體器件選擇及驅(qū)動(dòng)電路將在第四章中詳述。[7] 80C196KC單片機(jī)簡(jiǎn)介80C196KC是Intel公司MCS96系列單片機(jī)中功能電路較為完備的一種單片機(jī)，CPU是16位，適合各類自控系統(tǒng)。MCS96系列單片機(jī)與MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)相比，在實(shí)時(shí)性方面有了很大的提高，指令系統(tǒng)也具有更高的效率，執(zhí)行速度亦更快。80C196KC單片機(jī)繼承了80C196KB的許多優(yōu)點(diǎn)，是MCS96系列單片機(jī)中的高性能產(chǎn)品。80C196KC單片機(jī)的主要性能如下：（1）16位無累加器CPU,內(nèi)部采用寄存器文件結(jié)構(gòu)；（2）10位A/D轉(zhuǎn)換器；（3）256字節(jié)片內(nèi)RAM；（4）48個(gè)I/O端口；（5）高速輸入輸出部件HSI/HSO；（6）三個(gè)硬件脈寬調(diào)制輸出PWM；（7）外設(shè)事務(wù)服務(wù)器PTS(Peripheral Transaction Server)；（8）16位監(jiān)視定時(shí)器WDT；（9）兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；（10）具有總線出讓規(guī)程HOLD/HLDA；（11）具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)的28源/16向量中斷結(jié)構(gòu)；（12）片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，時(shí)鐘頻率最大為20MHZ。此外80C196KC采用2分頻電路能產(chǎn)生不同相位的內(nèi)部時(shí)鐘，其軟件執(zhí)行速度在相同晶振頻率下要比早期的8096系列快1/3左右?？梢姡?0C196KC硬、軟件資源豐富且數(shù)據(jù)處理速度快，是很理想微型控制器件。第4章 SRD系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本次SRD系統(tǒng)設(shè)計(jì)以微控制器80C196KC為核心，其硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：P0 HSI PWM HSO 位置、速度檢測(cè)電路故障檢測(cè)電路鍵盤及外接電路顯示電路相控信號(hào)輸出電路過流保護(hù)及電流斬波電路故障控制電路邏輯綜合電路 驅(qū)動(dòng)放大電路 功率變換器 本次設(shè)計(jì)采用的是四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：額定功率:30kW。額定轉(zhuǎn)速：1500rpm。轉(zhuǎn)速范圍：502000rpm；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：。過載能力：120%；雙向運(yùn)行，停車制動(dòng)。三相工頻電壓經(jīng)全波整流器整流后給SR電動(dòng)機(jī)供電，整流后的直流供電電壓平均為513V，電動(dòng)機(jī)過載時(shí)的峰值電流約為147A。位置檢測(cè)電路采用如下圖的42電路，光電耦合開關(guān)的輸出信號(hào)首先連接一個(gè)比較器LM339，防止邊沿抖動(dòng)，然后經(jīng)過濾波電路濾波，通過施密特觸發(fā)器整形，在經(jīng)過反相器反相輸出位置信號(hào)S，另一路信號(hào)與此一樣。 圖42位置檢測(cè)電路本設(shè)計(jì)采用低速電流斬波控制的控制方案，其電路圖如下圖43所示，以圖中AC相為例，比較器LM339正相輸入端V+為給定斬波電流的上限值Uref，負(fù)相輸入端V為電流檢測(cè)器測(cè)得的繞組電流實(shí)際值轉(zhuǎn)化的UAC，兩者相比較產(chǎn)生相應(yīng)的通斷信號(hào)，當(dāng)UrefUAC即V+V時(shí)，LM339輸出Vl為高電平，此時(shí)，與此相對(duì)應(yīng)相的主功率開關(guān)導(dǎo)通。反之，若UrefUAC即V+V時(shí)，則Vl變?yōu)榈碗娖?，則可得與非門CD4011輸出V2變?yōu)楦唠娖?，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098的輸入端V3變?yōu)榈碗娖?，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將工作，其輸出端OUTAC為低電平且將持續(xù)時(shí)間Tl，對(duì)應(yīng)相主功率開關(guān)關(guān)斷Tl時(shí)間。如果在Tl時(shí)間內(nèi)Vl變?yōu)楦唠娖?，則在Tl終止時(shí)刻，OUTAC恢復(fù)高電平，主功率開關(guān)元件導(dǎo)通；如果在T1時(shí)間內(nèi)Vl一直為低電平，則OUTAC繼續(xù)處于關(guān)斷狀態(tài)直到Vl為高電平為止，如此循環(huán)反復(fù)就構(gòu)成一個(gè)斬波調(diào)節(jié)控制。，在SR電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速運(yùn)行后，不進(jìn)行電流斬波控制時(shí)將