【文章內容簡介】 第3章 SRD系統(tǒng)的設計原理 SR電動機的換相原理 SR電動機經過前面分析已知，它的轉動方向只與定子繞組的通電順序有關，因而可以通過對各相的通電控制進行正方轉控制。采用轉子位置檢測器進行檢測，進而根據(jù)獲得的位置信息，將此信息通過80C196kc的HSI端口輸入進單片機，進行相關的位置參數(shù)計算和轉速計算，通過計算結果控制各相主開關器件的控制，進而實現(xiàn)換相控制。 SRD控制系統(tǒng)原理本次課題設計的SRD系統(tǒng)原理圖如下：速度給定ASR)放大驅動綜合邏輯控制ACR功率變換器轉速計算SRMM位置傳感器位置信號電流檢測由上面的系統(tǒng)原理圖可知，本次設計是基于位置傳感器反饋控制原理的，控制策略的實現(xiàn)都是基于對位置信號的分析處理。系統(tǒng)主要由以下幾個單元構成：（1）速度給定單元；（2）轉子位置檢測單元；（3）數(shù)字速度PI調節(jié)器；（4）電流和電壓斬波控制器；（5）電流檢測環(huán)節(jié)；（6）綜合邏輯控制；（7）功率變換電路。下面將分別對其中的主要單元進行介紹 速度給定單元速度給定單元將轉速給定電壓信號ug的突變部分進行積分，使電壓信號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)結構原理圖易知速度給定單元之后還有一個80C196KC的軟件速度PI調節(jié)器，且電機運行的平穩(wěn)性和快速性是相互制約的，故硬件積分器時間常數(shù)不宜選太大，本次課題選擇時間常數(shù)為τ=1s，最終輸入到80C196KC芯片中間的A/D轉換通道的電壓為0——5V，對應轉速為0——2000rpm。A/D轉換后的數(shù)字信號與轉速負反饋的數(shù)字信號綜合轉速后的誤差信號被送入到軟件速度PI調節(jié)器，這樣就構成了一個完整的轉速控制系統(tǒng)。位置檢測控制就是通過確定定子和轉子的相對位置，然后將所測得的位置信號反饋至邏輯控制電路，進而通過計算對相應繞組的通斷和轉速高低進行調節(jié)控制。常見的位置檢測器有光敏式、磁敏式等位置檢測方案。 對于一個m相的SR電動機，轉子齒極數(shù)為Nr，定子齒極數(shù)為Ns，轉子的極距角為： τr=步距角為： 每轉步數(shù)為：轉子每旋轉一周，定子m相繞組需要輪流通電Nr次，故可得SR電動機轉速n與每相定子繞組的通電頻率f 的關系為： n= 功率變換器的開關頻率為： 本次設計采用光敏式檢測器，它由光電耦合開關和遮光盤組成，將光電開關固定在定子上，遮光盤固定在定子上，它的齒、槽與轉子的凸極、凹槽數(shù)相等，且齒、槽均勻分布，這樣，轉子每轉過一個步進角，位置檢測器的輸出信號就與此對應變化一次，在一個轉子極距角τr內，位置信號變化m次，當轉過一個極距角τr后，位置信號會回到起始狀態(tài)，并且位置信號按此規(guī)律循環(huán)反復。這樣，就可通過轉子的位置信號經過處理后對繞組導電的相序進行控制。 本次課題采用的樣機是四相8/6極SR電動機，采用半數(shù)檢測法，即采用兩個光電開關進行檢測，其間的夾角Δθ由下式決定： Δθ=（k1/m）τr (k=1，2，...)可知，兩個光電開關之間可以為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V再順時針轉過45176。安裝另一個光電開關V2，遮光盤齒槽角間距為30176。電路通電后，位置檢測電路可以輸出兩路周期為60176。、間隔為15176。的脈沖序列，再通過相間關系可得基本位置信號的通電邏輯如下圖31所示：A相B相C相D相SPθθθθθθOOOO 圖31正轉時位置信號與相繞組通電邏輯（θon=0176。，θon=30176。）根據(jù)電機運行時位置檢測信號和對應相電感的關系，可以確定SR電動機在運行時各相主開關器件的切換邏輯。據(jù)此，可得到SR電動機分別在正反轉運行的真值表（假定逆時針為正）： 表31SR電動機正、反轉運行真值表 逆時針運行 順時針運行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電動機運行時的基本控制邏輯。每相繞組在傳感器信號的高低電平下的通斷如上表。微控制器通過捕獲S、P傳感器信號的突變沿來進行位置同步和計算轉速，再通過延遲時間和角位移之間的函數(shù)關系，在高速運行階段得到PI調節(jié)輸出的θon和θoff，在低速運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。 轉子位置信號是SR電動機控制時序的決策依據(jù)，在前文中已有詳述。根據(jù)SR電動機正、反轉運行時各相繞組切換的真值表，以進行正、反轉控制。下面將就方案的具體實施和測速原理進行分析。轉子位置信息經80C196KC具有捕獲功能的輸入端口HSI來檢測。將轉子上位置傳感器上得到的方波信號先后進行分壓濾波、電平轉換，在控制寄存器中將捕獲中斷事件的方式設為上下沿都觸發(fā)的方式，這樣每經過一個步距角（15176。），就可通過硬件中斷從位置傳感器S或P上面獲得一個脈沖突變沿，進入中斷服務程序后，就可通過讀HSI狀態(tài)寄存器相應位的狀態(tài)進而判斷是上升沿或者是下降沿?？蓳?jù)此來進行位置同步、控制相序。位置信號由高速輸入口記錄在十六位時間寄存器中，根據(jù)位置檢測原理，可由兩次脈沖沿觸發(fā)時刻之差來計算出轉子轉過l5176。所用的時間從而計算出轉速而進行轉速刷新。此外，一路位置信號轉過一個周期（60176。）的時鐘數(shù)除以60，這可以得到轉子轉過1176。所對應的時間值，以該值為基本單位t標，將它與導通角θon或者關斷角θoff所需的延遲角度相乘，就可得到與之相對應的延遲時間，寫入高速輸出口HSO的命令寄存器，在不經過CPU干預的情況下，將自動產生各相通斷允許信號，這在綜合邏輯控制單元中是相導通的一個重要邏輯判據(jù)。 數(shù)字速度PI調節(jié)器 數(shù)字速度PI調節(jié)器是實現(xiàn)對SR電動機斬波電流和導通角自動調節(jié)的關鍵，是速度位置閉環(huán)控制系統(tǒng)中的重中之重，它與控制策略的實施和控制品質的優(yōu)劣直接相關。所以經典的PID在連續(xù)系統(tǒng)中應用廣泛，控制靈活，參數(shù)整定方便。但由于SR電動機動態(tài)性能較好，一般使用比例和積分環(huán)節(jié)，即PI調節(jié)，就可以勝任SR電機的調速控制。本次設計中80C196KC對斬波電流幅值、導通角度的調節(jié)都是采用PI控制，其計算表達式為： 式中： —— 調節(jié)器的輸出； Kp——比例系數(shù)；e——調節(jié)器的輸入，此處為設定轉速與實際轉速之差；——積分常數(shù)； ——控制基準，常取輸出控制量取取值范圍的中間值。由上式易看出，PI調節(jié)器的比例調節(jié)的輸出與偏差成正比，且偏差越大，調節(jié)速度越快；積分環(huán)節(jié)對存在的偏差進行積分，可以消除靜差。因而PI調節(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。單片機的控制采用采樣控制，因而上式中的積分項可以用數(shù)學方法逼近：設t=iT(T 為采樣周期)表示采樣時間，則上式可離散化為： 在實際控制系統(tǒng)中，采用APC控制時，常采用固定關斷角θoff，調節(jié)θc的控制方法，先通過計算機算出相應轉速的最佳關斷角θoff，將這個值存到存儲器中，再由PI調節(jié)器算出導通角θop，用θoff θop就可得到開通角θon，進而完成APC控制。 電流檢測環(huán)節(jié) 電流檢測是SRD系統(tǒng)實現(xiàn)低速電流斬波控制、過流保護的基礎，只有得到精確的實時監(jiān)測電流，才能進行高性能的實時控制。電流檢測環(huán)節(jié)的主要作用有以下二點，一是將檢測得到的實時電流作為電流調節(jié)的控制參量，在起動、低速運行和加速運行時進行電流調節(jié)和導通角度限制；二是監(jiān)測功率變換電路判斷是否存在過電流故障，以便進行過流保護和故障處理。常用的電流檢測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，且檢測靈敏度較低，此外電流檢測的線性度亦不好；而霍爾傳感器相對靈敏度更高，本身還有自保護功能，因而適用更廣。本次設計就采用霍爾傳感器進行電流檢測。 電流和電壓斬波控制調節(jié)器 電流和電壓斬波控制調節(jié)器是執(zhí)行控制策略的重要單元，包括軟件和硬件兩個組成部分。功能是實現(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調節(jié)器的輸出信號改變控制參數(shù)，進行控制方式的切換。 在課題采用的基本的控制方式是在基速Ω1以下實行電流斬波控制，Ω1以上實行變角度的電壓PWM斬波控制。 80C196KC的控制信號最終是由綜合控制邏輯發(fā)出的。這個部分主要綜合了控制方式實現(xiàn)信號、各相繞組通斷切換信號以及故障判斷信號等，輸出一個符合電動機相數(shù)的并且實現(xiàn)調速控制方式的多路信號，該信號傳送給驅動電路板。由它來驅動功率器件的通斷。 在SRD系統(tǒng)中，由IGBT構成的主回路及其IGBT的驅動電路合并為一個完整的功率變換環(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，其價格在整個SRD系統(tǒng)中也占有主要的比重，因此，設計合理完善的功率變換器是提高整個SRD系統(tǒng)性能、提升價格比的關鍵之一。功率變換器是直流電源和SR電動機的接口，同時為系統(tǒng)的儲能提供回饋路徑。性能優(yōu)良的功率變換器應該具備以下幾個條件：主開關元件數(shù)量較少；能將直流電源的電壓全部加到電動機相繞組上；主開關器件電壓額定值與SR電動機接近，一般略高；開關器件反應是瞬時的；可通過對主開關器件的調制來控制相電流；能提供繞組儲能的回饋路徑。常用的功率主電路由雙開關型、雙雙繞組型、電容分壓型、H橋型公共開關型幾種。本次設計采用電容分壓型主電路，具體器件選擇及驅動電路將在第四章中詳述。[7] 80C196KC單片機簡介80C196KC是Intel公司MCS96系列單片機中功能電路較為完備的一種單片機，CPU是16位，適合各類自控系統(tǒng)。MCS96系列單片機與MCS51系列單片機系統(tǒng)相比，在實時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單片機繼承了80C196KB的許多優(yōu)點，是MCS96系列單片機中的高性能產品。80C196KC單片機的主要性能如下：（1）16位無累加器CPU,內部采用寄存器文件結構；（2）10位A/D轉換器；（3）256字節(jié)片內RAM；（4）48個I/O端口；（5）高速輸入輸出部件HSI/HSO；（6）三個硬件脈寬調制輸出PWM；（7）外設事務服務器PTS(Peripheral Transaction Server)；（8）16位監(jiān)視定時器WDT；（9）兩個16位定時/計數(shù)器；（10）具有總線出讓規(guī)程HOLD/HLDA；（11）具有兩個優(yōu)先級的28源/16向量中斷結構；（12）片內時鐘振蕩器，時鐘頻率最大為20MHZ。此外80C196KC采用2分頻電路能產生不同相位的內部時鐘，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?，80C196KC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)硬件電路設計 本次SRD系統(tǒng)設計以微控制器80C196KC為核心，其硬件結構如下圖所示：P0 HSI PWM HSO 位置、速度檢測電路故障檢測電路鍵盤及外接電路顯示電路相控信號輸出電路過流保護及電流斬波電路故障控制電路邏輯綜合電路 驅動放大電路 功率變換器 本次設計采用的是四相8/6極SR電動機，其主要技術指標如下：額定功率:30kW。額定轉速：1500rpm。轉速范圍：502000rpm；起動轉矩：。過載能力：120%；雙向運行，停車制動。三相工頻電壓經全波整流器整流后給SR電動機供電，整流后的直流供電電壓平均為513V，電動機過載時的峰值電流約為147A。位置檢測電路采用如下圖的42電路，光電耦合開關的輸出信號首先連接一個比較器LM339，防止邊沿抖動，然后經過濾波電路濾波，通過施密特觸發(fā)器整形，在經過反相器反相輸出位置信號S，另一路信號與此一樣。 圖42位置檢測電路本設計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，負相輸入端V為電流檢測器測得的繞組電流實際值轉化的UAC，兩者相比較產生相應的通斷信號，當UrefUAC即V+V時，LM339輸出Vl為高電平，此時，與此相對應相的主功率開關導通。反之，若UrefUAC即V+V時，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)時間Tl，對應相主功率開關關斷Tl時間。如果在Tl時間內Vl變?yōu)楦唠娖剑瑒t在Tl終止時刻，OUTAC恢復高電平，主功率開關元件導通；如果在T1時間內Vl一直為低電平，則OUTAC繼續(xù)處于關斷狀態(tài)直到Vl為高電平為止，如此循環(huán)反復就構成一個斬波調節(jié)控制。，在SR電動機進入高速運行后，不進行電流斬波控制時將