【正文】 流傳感器檢測的三相電流信號構成電流調節(jié)器的反饋輸入信號，是系統運行時的主要控制參數。同時，在驅動電動機低速重載運行時系統采用電流斬波控制方式，通過檢測得到的繞組電流幅值與單片機給出的參考電流斬波閾值進行比較，從而決定電流斬波控制輸出；在智能控制模塊 MCSRD9800 內部提供了電流峰值保護功能，通過設置電路圖中 RP300、RP30RP302 三個電位器對應的 ICC、ICB、ICA 三個管腳輸入的電壓參考值，同檢測的電流峰值進行比較，起到保護功率主電路和電機的作用。圖 312 MCSRD9800 外圍電路圖3．3．4 位置檢測部分設計位置傳感器是開關磁阻電機的關鍵部件和特征部件。轉子位置信號是各相主開關器件正確進行邏輯切換的重要依據，轉子相對位置，以反饋至邏輯控制電路，位置檢測的目的是要用位置傳感器測定確定對相繞組的開通或關斷。同時還可以根據位置檢測器反饋回來的信息進行速度計算，實現速度控制和電機轉速信息顯示。29本設計系統的轉子位置信號傳感器是由光電傳感元件(固定部分)和光電盤(旋轉部分)構成。電機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槽，當槽中無遮擋物時，光線能夠照射到光電三極管上，光電三極管飽和導通；當光線被遮擋時，光電三極管截止。光電盤是與電機轉子同軸旋轉，均勻開有與轉子同等數目齒槽的齒槽盤。齒槽盤與轉子同軸，轉子旋轉時，齒槽盤的齒槽從光電傳感元件的槽中順序穿過，當它的齒進入槽中時便遮擋住發(fā)光二極管的光線，使光電三極管處于截止狀態(tài)，其集電極輸出高電平給單片機 AT89C51：當光電盤的槽在這一位置時，發(fā)光二極管的光線能夠照射到光電三極管，使之飽和導通，集電極輸出低電平給單片機 AT89C51，光電三極管電平高低的變化通過如圖 313 所示的適當的外接變換電路轉化為轉子的位置信號。圖 313 位置傳感器變換電路30圖 314 三相位置信號波形即這些位置信號輸入 CD40106 施密特觸發(fā)器，將光電傳感器波形進行整理輸入給CD4049 變換器，經過該變換器可以將+15V 信號變換為+5V 信號(SSS3)，傳給單片機，S 信號是由 SSS3 相異或得到的，異或運算后的方波信號 S 又分為三路：一路直接送到單片機的外中斷口 T0 用于計算電機轉速及作為計算角度的參考點：一路經 F/V 頻壓轉換后，轉變成電機的實際轉速信號送到轉速閉環(huán)的 PI 調節(jié)器，與給定的轉速信號比較后進行轉速調節(jié)；另一路送給角度細分電路，進行角度細分以后，送給單片機進行計數，進行角度控制。從軸端看時順時針方向轉動下 SSSS 信號波形如圖 314 所示。3．3．5 電流檢測部分設計為實現開關磁阻電機電流閉環(huán) PI 控制、電流斬波控制和過電流保護，必須對繞組中的電流進行實時檢測。電流檢測電路負責檢測相電流，作為控制系統的電流反饋信號。電機控制中電流檢測一般使用電流檢測模塊或采樣電阻法檢測電機電流。后者常見于低成本小功率電機控制系統中。本系統中的電流檢測環(huán)節(jié)使用的是霍爾電流傳感器，型號為 Allegro 公司的 ACS75050。三相的開關磁阻電動機調速系統需要三個霍爾電流傳感器分別檢測開關磁阻電機三相的相電流。本設計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，當系統電流為 0A 時，輸出電壓 2 5V，根據本設計的具體情況，即在繞組電流為零時，電流的反饋值也為零，采用了如圖 315 所示的電流檢測調理電路。該電路首先將電流為 0A 時對應的 2 5V 輸出電壓減掉，之后再對剩余的與電流成比例的輸出電壓放大，以這個輸出信號作為反饋控制信號。各相的檢測信號反饋給電機智能控制模塊31MCSRD9800。實際中需要 3 路這樣的調理電路，此處只畫一相說明原理。圖 315 電流檢測調理電路3．3 .6 角度細分電路利用角度細分電路將三路位置信號相異或輸出的方波信號細分，之后傳給單片機，為單片機實現角度控制提供所需的角度精確定位，用于開關磁阻電機的角度控制。本系統中角度細分電路采用數字鎖相環(huán) CD4046 和 12 進制計數器 CD4040，如圖 316 所示，CD4040 的功能是計壓控振蕩器輸出脈沖的個數，當計數計到 時，便12=8N從 12 腳交替輸出高低電平。 將三路位置傳感器信號異或以后的 方波信號倍頻為5?256 個小周期信號(對應 )，提高角度控制的分辨率，?導通角 和關斷角 處輸出相應的相通斷信號來實現開關磁阻電機的角度控制。on?of32圖 316 角度細分電路3．3．7 D/A 轉換與斬波電路已知開關磁阻電機運動方程式為： (316)i+tSdLU??????當電機低速運行，尤其是帶載運行時，角速度 值很小，旋轉電動勢 很小。?iL????由于電源電壓 不變，在相導通的一段時間內，增量電感 L 不變，故繞組電流增長率S很大。為了保護開關磁阻電機和功率 MOSFET 開關管，使它們不致因電流過大而di/t導致損壞，在電機低速運行時，必須采用限流措施，即進行低速電流斬波控制。圖 317 D/A 轉換電路33本文設計的電流斬波控制方式是以調幅方式進行斬波，使開關磁阻電機運行在低速時具有效率高、出力大、轉矩脈動小的性能。當電機某一相繞組上的實際電流反饋值達到限幅閾值 VR 時，使此相的功率 MOSFET 開關管關斷一個固定時間 ，經過 時1T1間以后，再導通開關管，繞組電流迅速上升，達到限幅閾值 VR 關斷開關管，如此反復，形成一個幅值為豫的斬波波形。如圖 317 所示，是系統中的 D/A 轉換電路和開關磁阻電機 A 相的電流斬波示意電路圖。D/A 轉換電路是將單片機給定的電壓數字信號轉變?yōu)槟M信號，作為電流斬波閾值，供給電機智能控制模塊 MCSRD9800，使之與電流傳感器檢測的各項電流信號進行比較，來實現電流斬波控制，D/A 轉換芯片選用 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 構成。當 VRINA 時，LM339 輸出為高電平，電機A 相的功率開關管 MOSFET 導通；當 VRINA 時，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 VAI 使對應的 MOSFET 功率開關管關斷，并持續(xù)時間 。如此反復，就組成一個電流斬波控制。該控制方案非常適用1T于開關磁阻電機的低速運行，能夠有效限制電機繞組的電流峰值，并且產生平穩(wěn)的轉矩，起到良好的保護和調節(jié)效果。3．3．8 優(yōu)先編碼電路本設計中優(yōu)先編碼功能采用芯片 MCl4532 來實現，MCl4532 是一種 8/3 編碼器，具體電路如圖 318 所示。芯片 MCl4532 將各種給定信號如起動、制動、正反轉和保護信號如過溫、過壓、過流、缺相進行優(yōu)先編碼，再送入單片機來判斷系統的狀態(tài)，執(zhí)行相應的控制程序，以實現系統的控制和保護功能。34圖 318 優(yōu)先編碼電路 邏輯綜合電路在邏輯綜合電路中，單片機輸出的相通斷信號經 74HC640 反相緩沖器隔離后輸出給 MCl413，并經 MCl413 變換為+15V 信號，經 CD40106 反相整形后，將信號送到邏輯綜合電路處理。這里的邏輯綜合電路是由 CD4082 構成，可以進行四路邏輯功能與非處理，最后再經 MCl413 放大后驅動功率變換器的驅動電路。 顯示電路電動機實際運行情況(轉速、轉向)及故障情況用數碼管和發(fā)光管顯示出來。本系統利用 AT89C51 的串口通過五片 74LSl64 驅動五個 LED 數碼管顯示電機轉速和運行狀態(tài)。如圖 319 所示：35圖 319 顯示接口電路3．3．11 單片機最小系統 單片機加上適當的外圍器件（保證單片機系統運行的最少外圍器件）和應用程序，構成的應用系統稱為最小系統。本設計采用 HMOS 型時鐘電路和上電+按鈕電平復位電路，最小系統如圖 320 所示。圖 320 最小系統原理圖單片機復位電路采用上電復位和按鍵復位兩種形式。如圖 321 所示：36圖 復位電路上電時，+5V 電源通過 R19 給電容 C555 充電，由于在充電瞬間電容 C555 相當于短路，C555 的電壓低于 LM393 第 3 腳電壓，RESET 信號為為高電平，單片機進入復位狀態(tài)：當充電完成，C555 電壓高于 LM393 第 3 腳電壓時，RESET 信號為由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥臀贿^程完成。當 button 按下時，C555 電壓低于 LM393 第 3 腳電壓，RESET 信號為由低電平變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C重新進入復位狀態(tài)。37第四章 4kW 開關磁阻電機驅動系統軟件設計對于一個驅動系統而言，硬件電路是系統的物質基礎，是被控制對象，而軟件則是實現控制的靈魂所在，如果沒有軟件支持，就難以充分發(fā)揮硬件的控制功能，因此軟件設計也非常重要。在設計過程中應充分考慮，盡量優(yōu)化系統軟件的設計，本系統軟件采用模塊化設計。本設計中開關磁阻電機調速系統控制軟件設計采用 51 單片機匯編語言編程，實行模塊化設計，增加了程序的可讀性和移植性。對于本系統而言，控制軟件應滿足如下要求：1．使電動機無起動死區(qū)，具有足夠大的起動轉矩，盡量減小起動時的轉矩脈振。2．能夠實現電動機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)之間的平滑過渡。3．能夠接收、判斷外部的故障信號和保護信號，診斷、顯示故障，并采取相應的保護措施。本系統軟件包括主程序、運行子程序、相中斷子程序、INT0 中斷子程序、INT1(過流保護)中斷程序、過壓欠壓子程序、顯示子程序、編碼識別子程序等。主程序以調用子程序的形式，按不斷循環(huán)的結構運行，實現控制參數的輸入、運行狀態(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聯，參數傳遞通過變量和標志進行。下面扼要介紹部分主要程序模塊的任務和實現方法。4．1 主程序主程序初始化整個系統，并協調各個子程序的運行。主程序包括系統初始化和單片機上電時系統狀態(tài)的判斷。系統初始化主要是對程序中有關變量的初始化，設定 CPU外部接口的工作狀態(tài)和工作方式，CPU 內部各功能部件初始化，開放中斷，使系統處于準備運行狀態(tài)。程序初始化后，對系統的狀態(tài)進行判斷，看系統是否正常，如果提示系統正常，進入啟動狀態(tài)。否則顯示故障類型，等待故障排除。38開始設置單片機有關變化及初始化定義多功能按鍵數碼管初始顯示設置標志位，電機狀態(tài)初始值設置判斷手柄控制位顯示子程序是否起動故障顯示燈顯示正常讀取位置信號判斷位置的正誤位置是否對開放中斷 INT0、INT1調用手柄判定子程序是否有啟動信號判斷是否運行進入子程序禁止中斷，關斷開通顯示位置錯誤調用起動子程序是否有故障信號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，初始化和編碼識別程序的過程如下描述：1．初始化：置 AT89C51 內部各寄存器的初始值，設置定時器 T0 工作于方式 3，分39為一個定時器、一個計數器；設置外部中斷為低電平觸發(fā)方式，INT1(過流中斷)的優(yōu)先級設為最高，此時禁止全部中斷，并關閉所有的相輸出信號。2．編碼識別子程序：由控制手柄傳來的啟動正轉、啟動反轉、停車、制動信號及驅動板傳來的過溫、過壓、欠壓等信號經過一個優(yōu)先編碼器編碼后進入 AT89C51 單片機，單片機根據最高級別有效信號的編碼轉入不同的分支處理子程序，在各個子程序中設定各自相關的標志位，并給顯示寄存器賦以相應的顯示值。4．2 運行子程序運行子程序的主要作用是啟動電機由靜止狀態(tài)開始運轉到設定的速度?？刂破饔娠@示板上輸入給定的指令，單片機通過對輸入口的檢測確定具體的操作。起動鍵按下時，單片機按照相應的起動邏輯控制各相主開關管的通斷。程序框圖如圖 42 所示。由于電動機起動前的轉子位置是隨機的，首先要讀進電機的轉子位置信號，并判斷位置信號是否正確，如果正確則啟動 T1 定時器，并開放定時器 T1 中斷以及可由位置信號變化所引起的相中斷。在電機的轉動運行過程中要循環(huán)進行欠壓、過壓、停車等狀態(tài)的檢測，如果是由靜止啟動，此時要根據轉子位置送出相應的相導通信號，使電機開始轉動，這也是相中斷等程序運行的先決條件，如果電機處于啟動(速度由 0 升到 30r/min)過程，則在此過程中要進行堵轉和過載保護的判定。40故障顯示燈顯示正常讀取位置信號判斷位置的正誤位置是否正確由電機轉子位置送相應的相通斷信號是否制動是否過壓、欠壓請用手柄判斷子程序是否有啟動信號電機是否運轉是否到運行速度導通角、關斷角重新增幅堵轉保護程序調用啟動子程序禁止中斷，關斷開通顯示位置錯誤返回主程序進入過壓、欠壓保護否是是否是否否是是否是否圖 42 運行子程序流程圖41 相中斷程序相中斷程序的作用是每當有一個位置傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化時產生一次中斷從而實現電機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，并同時由傳感器每次狀態(tài)發(fā)生變化所需的時間來計算電機的實際運行速度。相中斷程序框圖如圖 43 所示。相中斷發(fā)生以后，首先判斷轉子位置，同時開放 INT0 中斷，為的是根據角度細分電路的計數脈沖確定