【正文】 流傳感器檢測(cè)的三相電流信號(hào)構(gòu)成電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號(hào)，是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要控制參數(shù)。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)低速重載運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)采用電流斬波控制方式，通過(guò)檢測(cè)得到的繞組電流幅值與單片機(jī)給出的參考電流斬波閾值進(jìn)行比較，從而決定電流斬波控制輸出；在智能控制模塊 MCSRD9800 內(nèi)部提供了電流峰值保護(hù)功能，通過(guò)設(shè)置電路圖中 RP300、RP30RP302 三個(gè)電位器對(duì)應(yīng)的 ICC、ICB、ICA 三個(gè)管腳輸入的電壓參考值，同檢測(cè)的電流峰值進(jìn)行比較，起到保護(hù)功率主電路和電機(jī)的作用。圖 312 MCSRD9800 外圍電路圖3．3．4 位置檢測(cè)部分設(shè)計(jì)位置傳感器是開關(guān)磁阻電機(jī)的關(guān)鍵部件和特征部件。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是各相主開關(guān)器件正確進(jìn)行邏輯切換的重要依據(jù)，轉(zhuǎn)子相對(duì)位置，以反饋至邏輯控制電路，位置檢測(cè)的目的是要用位置傳感器測(cè)定確定對(duì)相繞組的開通或關(guān)斷。同時(shí)還可以根據(jù)位置檢測(cè)器反饋回來(lái)的信息進(jìn)行速度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)速度控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速信息顯示。29本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)傳感器是由光電傳感元件(固定部分)和光電盤(旋轉(zhuǎn)部分)構(gòu)成。電機(jī)每相各用一只光電傳感元件，它由安裝底座、紅外發(fā)光二極管和紅外光電三極管組成。在發(fā)光二極管和光電三極管之間有一個(gè)槽，當(dāng)槽中無(wú)遮擋物時(shí)，光線能夠照射到光電三極管上，光電三極管飽和導(dǎo)通；當(dāng)光線被遮擋時(shí)，光電三極管截止。光電盤是與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)，均勻開有與轉(zhuǎn)子同等數(shù)目齒槽的齒槽盤。齒槽盤與轉(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒槽盤的齒槽從光電傳感元件的槽中順序穿過(guò)，當(dāng)它的齒進(jìn)入槽中時(shí)便遮擋住發(fā)光二極管的光線，使光電三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，其集電極輸出高電平給單片機(jī) AT89C51：當(dāng)光電盤的槽在這一位置時(shí)，發(fā)光二極管的光線能夠照射到光電三極管，使之飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平給單片機(jī) AT89C51，光電三極管電平高低的變化通過(guò)如圖 313 所示的適當(dāng)?shù)耐饨幼儞Q電路轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。圖 313 位置傳感器變換電路30圖 314 三相位置信號(hào)波形即這些位置信號(hào)輸入 CD40106 施密特觸發(fā)器，將光電傳感器波形進(jìn)行整理輸入給CD4049 變換器，經(jīng)過(guò)該變換器可以將+15V 信號(hào)變換為+5V 信號(hào)(SSS3)，傳給單片機(jī)，S 信號(hào)是由 SSS3 相異或得到的，異或運(yùn)算后的方波信號(hào) S 又分為三路：一路直接送到單片機(jī)的外中斷口 T0 用于計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速及作為計(jì)算角度的參考點(diǎn)：一路經(jīng) F/V 頻壓轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變成電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)送到轉(zhuǎn)速閉環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器，與給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)比較后進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；另一路送給角度細(xì)分電路，進(jìn)行角度細(xì)分以后，送給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)行角度控制。從軸端看時(shí)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)下 SSSS 信號(hào)波形如圖 314 所示。3．3．5 電流檢測(cè)部分設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)電流閉環(huán) PI 控制、電流斬波控制和過(guò)電流保護(hù)，必須對(duì)繞組中的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。電流檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)相電流，作為控制系統(tǒng)的電流反饋信號(hào)。電機(jī)控制中電流檢測(cè)一般使用電流檢測(cè)模塊或采樣電阻法檢測(cè)電機(jī)電流。后者常見于低成本小功率電機(jī)控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)中的電流檢測(cè)環(huán)節(jié)使用的是霍爾電流傳感器，型號(hào)為 Allegro 公司的 ACS75050。三相的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)需要三個(gè)霍爾電流傳感器分別檢測(cè)開關(guān)磁阻電機(jī)三相的相電流。本設(shè)計(jì)中選用的是正向電流模式，電流從霍爾電流傳感器的 4 腳流入，從 5 腳流出，當(dāng)系統(tǒng)電流為 0A 時(shí)，輸出電壓 2 5V，根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況，即在繞組電流為零時(shí)，電流的反饋值也為零，采用了如圖 315 所示的電流檢測(cè)調(diào)理電路。該電路首先將電流為 0A 時(shí)對(duì)應(yīng)的 2 5V 輸出電壓減掉，之后再對(duì)剩余的與電流成比例的輸出電壓放大，以這個(gè)輸出信號(hào)作為反饋控制信號(hào)。各相的檢測(cè)信號(hào)反饋給電機(jī)智能控制模塊31MCSRD9800。實(shí)際中需要 3 路這樣的調(diào)理電路，此處只畫一相說(shuō)明原理。圖 315 電流檢測(cè)調(diào)理電路3．3 .6 角度細(xì)分電路利用角度細(xì)分電路將三路位置信號(hào)相異或輸出的方波信號(hào)細(xì)分，之后傳給單片機(jī)，為單片機(jī)實(shí)現(xiàn)角度控制提供所需的角度精確定位，用于開關(guān)磁阻電機(jī)的角度控制。本系統(tǒng)中角度細(xì)分電路采用數(shù)字鎖相環(huán) CD4046 和 12 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CD4040，如圖 316 所示，CD4040 的功能是計(jì)壓控振蕩器輸出脈沖的個(gè)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)計(jì)到 時(shí)，便12=8N從 12 腳交替輸出高低電平。 將三路位置傳感器信號(hào)異或以后的 方波信號(hào)倍頻為5?256 個(gè)小周期信號(hào)(對(duì)應(yīng) )，提高角度控制的分辨率，?導(dǎo)通角 和關(guān)斷角 處輸出相應(yīng)的相通斷信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的角度控制。on?of32圖 316 角度細(xì)分電路3．3．7 D/A 轉(zhuǎn)換與斬波電路已知開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式為： (316)i+tSdLU??????當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行，尤其是帶載運(yùn)行時(shí)，角速度 值很小，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì) 很小。?iL????由于電源電壓 不變，在相導(dǎo)通的一段時(shí)間內(nèi)，增量電感 L 不變，故繞組電流增長(zhǎng)率S很大。為了保護(hù)開關(guān)磁阻電機(jī)和功率 MOSFET 開關(guān)管，使它們不致因電流過(guò)大而di/t導(dǎo)致?lián)p壞，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，必須采用限流措施，即進(jìn)行低速電流斬波控制。圖 317 D/A 轉(zhuǎn)換電路33本文設(shè)計(jì)的電流斬波控制方式是以調(diào)幅方式進(jìn)行斬波，使開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行在低速時(shí)具有效率高、出力大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的性能。當(dāng)電機(jī)某一相繞組上的實(shí)際電流反饋值達(dá)到限幅閾值 VR 時(shí)，使此相的功率 MOSFET 開關(guān)管關(guān)斷一個(gè)固定時(shí)間 ，經(jīng)過(guò) 時(shí)1T1間以后，再導(dǎo)通開關(guān)管，繞組電流迅速上升，達(dá)到限幅閾值 VR 關(guān)斷開關(guān)管，如此反復(fù)，形成一個(gè)幅值為豫的斬波波形。如圖 317 所示，是系統(tǒng)中的 D/A 轉(zhuǎn)換電路和開關(guān)磁阻電機(jī) A 相的電流斬波示意電路圖。D/A 轉(zhuǎn)換電路是將單片機(jī)給定的電壓數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，作為電流斬波閾值，供給電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800，使之與電流傳感器檢測(cè)的各項(xiàng)電流信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)實(shí)現(xiàn)電流斬波控制，D/A 轉(zhuǎn)換芯片選用 DAC0832。電流斬波電路有比較器 LM339，兩路與非門 4011 和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 4098 構(gòu)成。當(dāng) VRINA 時(shí)，LM339 輸出為高電平，電機(jī)A 相的功率開關(guān)管 MOSFET 導(dǎo)通；當(dāng) VRINA 時(shí)，LM339 輸出低電平，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 4098的輸入端為低電平，觸發(fā)器工作，輸出低電平斬波信號(hào) VAI 使對(duì)應(yīng)的 MOSFET 功率開關(guān)管關(guān)斷，并持續(xù)時(shí)間 。如此反復(fù)，就組成一個(gè)電流斬波控制。該控制方案非常適用1T于開關(guān)磁阻電機(jī)的低速運(yùn)行，能夠有效限制電機(jī)繞組的電流峰值，并且產(chǎn)生平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，起到良好的保護(hù)和調(diào)節(jié)效果。3．3．8 優(yōu)先編碼電路本設(shè)計(jì)中優(yōu)先編碼功能采用芯片 MCl4532 來(lái)實(shí)現(xiàn)，MCl4532 是一種 8/3 編碼器，具體電路如圖 318 所示。芯片 MCl4532 將各種給定信號(hào)如起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和保護(hù)信號(hào)如過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、缺相進(jìn)行優(yōu)先編碼，再送入單片機(jī)來(lái)判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和保護(hù)功能。34圖 318 優(yōu)先編碼電路 邏輯綜合電路在邏輯綜合電路中，單片機(jī)輸出的相通斷信號(hào)經(jīng) 74HC640 反相緩沖器隔離后輸出給 MCl413，并經(jīng) MCl413 變換為+15V 信號(hào)，經(jīng) CD40106 反相整形后，將信號(hào)送到邏輯綜合電路處理。這里的邏輯綜合電路是由 CD4082 構(gòu)成，可以進(jìn)行四路邏輯功能與非處理，最后再經(jīng) MCl413 放大后驅(qū)動(dòng)功率變換器的驅(qū)動(dòng)電路。 顯示電路電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向)及故障情況用數(shù)碼管和發(fā)光管顯示出來(lái)。本系統(tǒng)利用 AT89C51 的串口通過(guò)五片 74LSl64 驅(qū)動(dòng)五個(gè) LED 數(shù)碼管顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和運(yùn)行狀態(tài)。如圖 319 所示：35圖 319 顯示接口電路3．3．11 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)加上適當(dāng)?shù)耐鈬骷ūＷC單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的最少外圍器件）和應(yīng)用程序，構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)稱為最小系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用 HMOS 型時(shí)鐘電路和上電+按鈕電平復(fù)位電路，最小系統(tǒng)如圖 320 所示。圖 320 最小系統(tǒng)原理圖單片機(jī)復(fù)位電路采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種形式。如圖 321 所示：36圖 復(fù)位電路上電時(shí)，+5V 電源通過(guò) R19 給電容 C555 充電，由于在充電瞬間電容 C555 相當(dāng)于短路，C555 的電壓低于 LM393 第 3 腳電壓，RESET 信號(hào)為為高電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)：當(dāng)充電完成，C555 電壓高于 LM393 第 3 腳電壓時(shí)，RESET 信號(hào)為由高電平變?yōu)榈碗娖?，?fù)位過(guò)程完成。當(dāng) button 按下時(shí)，C555 電壓低于 LM393 第 3 腳電壓，RESET 信號(hào)為由低電平變?yōu)楦唠娖?，單片機(jī)重新進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。37第四章 4kW 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，硬件電路是系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是被控制對(duì)象，而軟件則是實(shí)現(xiàn)控制的靈魂所在，如果沒有軟件支持，就難以充分發(fā)揮硬件的控制功能，因此軟件設(shè)計(jì)也非常重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮，盡量?jī)?yōu)化系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)采用 51 單片機(jī)匯編語(yǔ)言編程，實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，增加了程序的可讀性和移植性。對(duì)于本系統(tǒng)而言，控制軟件應(yīng)滿足如下要求：1．使電動(dòng)機(jī)無(wú)起動(dòng)死區(qū)，具有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡量減小起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈振。2．能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)在低速定角度電流斬波和高速變角度電壓斬波兩種狀態(tài)之間的平滑過(guò)渡。3．能夠接收、判斷外部的故障信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，診斷、顯示故障，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。本系統(tǒng)軟件包括主程序、運(yùn)行子程序、相中斷子程序、INT0 中斷子程序、INT1(過(guò)流保護(hù))中斷程序、過(guò)壓欠壓子程序、顯示子程序、編碼識(shí)別子程序等。主程序以調(diào)用子程序的形式，按不斷循環(huán)的結(jié)構(gòu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的輸入、運(yùn)行狀態(tài)的顯示等。軟件編寫采用模塊化編程方法，子程序之間盡可能減少關(guān)聯(lián)，參數(shù)傳遞通過(guò)變量和標(biāo)志進(jìn)行。下面扼要介紹部分主要程序模塊的任務(wù)和實(shí)現(xiàn)方法。4．1 主程序主程序初始化整個(gè)系統(tǒng)，并協(xié)調(diào)各個(gè)子程序的運(yùn)行。主程序包括系統(tǒng)初始化和單片機(jī)上電時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的判斷。系統(tǒng)初始化主要是對(duì)程序中有關(guān)變量的初始化，設(shè)定 CPU外部接口的工作狀態(tài)和工作方式，CPU 內(nèi)部各功能部件初始化，開放中斷，使系統(tǒng)處于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)。程序初始化后，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，看系統(tǒng)是否正常，如果提示系統(tǒng)正常，進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。否則顯示故障類型，等待故障排除。38開始設(shè)置單片機(jī)有關(guān)變化及初始化定義多功能按鍵數(shù)碼管初始顯示設(shè)置標(biāo)志位，電機(jī)狀態(tài)初始值設(shè)置判斷手柄控制位顯示子程序是否起動(dòng)故障顯示燈顯示正常讀取位置信號(hào)判斷位置的正誤位置是否對(duì)開放中斷 INT0、INT1調(diào)用手柄判定子程序是否有啟動(dòng)信號(hào)判斷是否運(yùn)行進(jìn)入子程序禁止中斷，關(guān)斷開通顯示位置錯(cuò)誤調(diào)用起動(dòng)子程序是否有故障信號(hào)否是是否否是是否是圖 41 主程序流程圖主程序框圖如圖 41 所示，初始化和編碼識(shí)別程序的過(guò)程如下描述：1．初始化：置 AT89C51 內(nèi)部各寄存器的初始值，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作于方式 3，分39為一個(gè)定時(shí)器、一個(gè)計(jì)數(shù)器；設(shè)置外部中斷為低電平觸發(fā)方式，INT1(過(guò)流中斷)的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，此時(shí)禁止全部中斷，并關(guān)閉所有的相輸出信號(hào)。2．編碼識(shí)別子程序：由控制手柄傳來(lái)的啟動(dòng)正轉(zhuǎn)、啟動(dòng)反轉(zhuǎn)、停車、制動(dòng)信號(hào)及驅(qū)動(dòng)板傳來(lái)的過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓等信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)優(yōu)先編碼器編碼后進(jìn)入 AT89C51 單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)最高級(jí)別有效信號(hào)的編碼轉(zhuǎn)入不同的分支處理子程序，在各個(gè)子程序中設(shè)定各自相關(guān)的標(biāo)志位，并給顯示寄存器賦以相應(yīng)的顯示值。4．2 運(yùn)行子程序運(yùn)行子程序的主要作用是啟動(dòng)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)轉(zhuǎn)到設(shè)定的速度。控制器由顯示板上輸入給定的指令，單片機(jī)通過(guò)對(duì)輸入口的檢測(cè)確定具體的操作。起動(dòng)鍵按下時(shí)，單片機(jī)按照相應(yīng)的起動(dòng)邏輯控制各相主開關(guān)管的通斷。程序框圖如圖 42 所示。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前的轉(zhuǎn)子位置是隨機(jī)的，首先要讀進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并判斷位置信號(hào)是否正確，如果正確則啟動(dòng) T1 定時(shí)器，并開放定時(shí)器 T1 中斷以及可由位置信號(hào)變化所引起的相中斷。在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中要循環(huán)進(jìn)行欠壓、過(guò)壓、停車等狀態(tài)的檢測(cè)，如果是由靜止啟動(dòng)，此時(shí)要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置送出相應(yīng)的相導(dǎo)通信號(hào)，使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，這也是相中斷等程序運(yùn)行的先決條件，如果電機(jī)處于啟動(dòng)(速度由 0 升到 30r/min)過(guò)程，則在此過(guò)程中要進(jìn)行堵轉(zhuǎn)和過(guò)載保護(hù)的判定。40故障顯示燈顯示正常讀取位置信號(hào)判斷位置的正誤位置是否正確由電機(jī)轉(zhuǎn)子位置送相應(yīng)的相通斷信號(hào)是否制動(dòng)是否過(guò)壓、欠壓請(qǐng)用手柄判斷子程序是否有啟動(dòng)信號(hào)電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)是否到運(yùn)行速度導(dǎo)通角、關(guān)斷角重新增幅堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序調(diào)用啟動(dòng)子程序禁止中斷，關(guān)斷開通顯示位置錯(cuò)誤返回主程序進(jìn)入過(guò)壓、欠壓保護(hù)否是是否是否否是是否是否圖 42 運(yùn)行子程序流程圖41 相中斷程序相中斷程序的作用是每當(dāng)有一個(gè)位置傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生一次中斷從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速定角度電流斬波工作方式和高速變角度電壓斬波工作方式的控常上，并同時(shí)由傳感器每次狀態(tài)發(fā)生變化所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度。相中斷程序框圖如圖 43 所示。相中斷發(fā)生以后，首先判斷轉(zhuǎn)子位置，同時(shí)開放 INT0 中斷，為的是根據(jù)角度細(xì)分電路的計(jì)數(shù)脈沖確定