【導(dǎo)讀】論文以三相12/8極SRM為研究對象，完成了以單片機為核心組成的調(diào)。速系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)采用PWM控制方式，選用不對稱半橋式功率驅(qū)動器主電路，測、位置檢測、故障保護和顯示電路等外圍電路進行了設(shè)計，具有過流保護功能。時本設(shè)計采用了模塊化的編程方法，增強了程序的可讀性和易操作性。電動機的準(zhǔn)線性動態(tài)模型,利用MATLAB/SIMULINK,對開關(guān)磁阻電動機進行仿真。為此系統(tǒng)的進一步改進打下了基礎(chǔ)。仿真結(jié)果達到了預(yù)期的SRD控制效果。面為以后開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)這一課題的研究進行了有益的探索和實踐。

　　

【正文】 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 調(diào)速信號采集系統(tǒng)設(shè)計 由于開關(guān)磁阻電動機在調(diào)速時需要一個漸變的速度，則需一個模擬量來反映速度的變化。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)。 ADC0832 是 8 位分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達 256 級， 可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32us，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。 ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為 4 條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、 DI。但由于 DO 端與 DI 端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)ADC0832 未工作時其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進行 A/D 轉(zhuǎn)換 時，須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。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。在第 1 個時鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須是高電平，表示啟始信號。在第 3 個脈沖下沉之前 DI 端應(yīng)輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能 。 其引腳圖如圖 45。 圖 45 ADC0832引腳圖 圖 46 過流識別電路 保護電路設(shè)計 在開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)中，為了防止低速時相電流上升過高導(dǎo)致主開關(guān) 或繞組燒毀， 我們要做電流保護，即信號經(jīng)過運放比較器，比較器有一個參考電壓，當(dāng)信號低于這個參考電壓，信號經(jīng)過運算放大后輸出；當(dāng)信號超過這個參考電壓，說明發(fā)生過流情況，比較器輸出低電平將單片機引腳拉低， 由單片機中斷處理調(diào)整 PWM波輸出 。其電路圖如 46 所示。 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 22 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。 下面針對 SRD 功率驅(qū)動器幾種常見的典型線路結(jié)構(gòu)，進行各性能和特點的分析，通過比較和綜合，得出一種適合本論文研究的功率變換器主電路結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動電路設(shè)計 如圖 51 所示為采用不對稱半橋線路 式 的三相 SR 電機功率驅(qū)動主電路。 圖 51 不對稱半橋 式 驅(qū)動電路圖 以 A 相繞組為例，每相 有兩個主開關(guān)管（即主開關(guān)器件） V1， V2 及兩只續(xù)流二極管 VD1, VD2。其中上下兩只主開關(guān)管是同時導(dǎo)通和關(guān)斷的。當(dāng) V1， V2 同時導(dǎo)通時， VD 1, VD2 截止，電源 Us 向電機相繞組 A 供電，產(chǎn)生相電流 Is。當(dāng) V1， V2沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 同時關(guān)斷時， A 相繞組產(chǎn)生的 反向電壓回流 ，則 VD1, VD2 正向?qū)ǎ?Is 通過 VD1, VD2 以及儲能電容 Cs 續(xù)流， Cs 將吸收 A 相繞組部分磁場能量。此種線路具有如下特點 : (1) 各主開關(guān)管的電壓定額為 Us； (2) 由于主開關(guān)管的電壓定額與電機繞組的電壓定額近似相等，所以這種線路用足 了主開關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流； (3) 由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，在電路上相與相之間是完全獨立的； (4) 每相需要兩個主開關(guān)管，未能充分體現(xiàn)出 SRD 功率變換器較其它交流調(diào)速系統(tǒng)逆變器固有的優(yōu)勢。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。 綜上所述，不對稱半橋線路適宜在高壓、大功率及 SRM 電動機相數(shù)較少的場合下應(yīng)用。 另一種分裂式驅(qū)動電路如圖 52，電源 Us 被兩個相等的電容 Cs 一分為二，各相主開 關(guān)器件和續(xù)流二極管依次上下交替排布。當(dāng) SA 導(dǎo)通時， A 相 Cs 對繞組供電；SA 斷開時， 下側(cè) VD 導(dǎo)通，繞組經(jīng) VD 續(xù)流向 B 相 Cs 充電。當(dāng) SB 導(dǎo)通時， B 相Cs 向繞組供電； SB 斷開時，繞組經(jīng) VD 續(xù)流向 C 相 Cs 充電，依次向 D 相充電。為保證上、下各相工作電壓對稱，此方法只適用于偶數(shù)相。每個主開關(guān)器件和續(xù)流二極管的額定電壓為 Us+△ U(△ U 系因換相引起的任一瞬變電壓 )，而加到通電電動機兩端的電源電壓僅為 Us/2(這樣與不對稱橋式電路相比，繞組就應(yīng)通以兩倍的電流 )，因此電容量和電源電壓的定額將顯著增加。這種方案對蓄電池供電 的系統(tǒng)是合適的。 圖 52 分裂式功率驅(qū)動電路 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 24 由于本設(shè)計的背景是三相 12/8 極 開關(guān)磁阻 電動機，則多采用不對稱半橋式功率驅(qū)動電路。 開關(guān)器件的選擇 主開關(guān)器件是構(gòu)成功率 驅(qū)動 器的重要部分，關(guān)系到功率 驅(qū)動 器是否能夠迅速、準(zhǔn)確、安全地開通與關(guān)斷。因此主開關(guān)器件的選擇至關(guān)重要。目前可供選擇的功率器件有普通晶閘管 (SCR)、可關(guān)斷晶閘管 ( GTO)、大功率晶閘管 (GTR)、功率 MOSFET 場效應(yīng)管 (MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。這些器件的性能各不相同，適用場合也不盡相同。一般，開關(guān)磁阻電機的功率 驅(qū) 動 器要求所選用的主開關(guān)器件具有電壓、電流的過載能力好，開關(guān)頻率高，可方便的換流等特點。根據(jù)這些要求，在中、小功率的開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)中都傾向于選用 MOSFET 或 IGBT。本設(shè)計所用 SR 電機功率較小， IGBT 兼有 MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點，因而性能更為優(yōu)異，主開關(guān)管采用 IGBT。 同其它自關(guān)斷器件一樣， IGBT 對其驅(qū)動電路有許多特殊要求，概括起來，這些要求為 。 (1) IGBT 對柵極電荷非常敏感故驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，驅(qū)動電路與 IGBT 的連線要盡量短。 (2) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對 柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓有足夠的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量小。另外 IGBT 開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使 IGBT 不退出飽和而損壞。 (3) 驅(qū)動電路要能傳遞幾十 KHz 的脈沖信號。 (4) 驅(qū)動電平 +Uce 應(yīng)綜合考慮， +U。增大時， IGBT 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時的 I。增大， IGBT 能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中 +U。 應(yīng)選的小些，一般取 1215V。 (5) 在關(guān)斷過程中，為盡快抽取 PNP 管的存儲電荷，需施加一負(fù)偏壓，一般取 1V至 lOV 。 (6) 在大電感負(fù)載下， IGBT 的開關(guān)時間不能太短，以限制尖峰電壓，確保 IGBT的安全。 (7) 由于 IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 6 主控系統(tǒng)設(shè)計 單片機系統(tǒng) STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 其引腳分布如圖 61 所示。 圖 61 STC89C52芯片引腳圖 每個單片機系統(tǒng)里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機系統(tǒng)里晶振的作用非常大，他結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。本文使用頻率為 12MHz 的晶振。 信號邏 輯處理電路 由于邏輯換相的需要，單片機需要一個換相時刻的信號。由三個位置傳感器信號開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 26 的組合經(jīng) 過 異或門處理后會在每個換相時刻 產(chǎn)生一個下降沿 信號 送給單片機，讓單片機做出換相處理。 其邏輯關(guān)系如圖 62。 圖 62 位置信號邏輯處理示意圖 速度顯示電路設(shè)計 單片機并行 I/O 口數(shù)量總是有限的，有時并行口需作其他更重要的用途，一般也不會用數(shù)量眾多的并行 I/O 口專門用來驅(qū)動顯示電路，用單片機的串行通信口加上少量 I/O 及擴展芯片用于顯示電路。速度顯示利用 74LS164 芯片擴張 8 位 LED 串行顯示接口電路。 74LS164 是一個 8 位移位寄存器（串行輸入，并行輸出），其 DIP 引腳圖如圖 63 所示。 圖 63 74LS164 芯片 DIP 引腳圖 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。當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、 B 任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（ CLOCK） 脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。當(dāng) A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)， 并在 CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。 單片機的串行口設(shè)置在工作方式 0，串行數(shù)據(jù)從單片機 RXD 引腳輸出，移位時鐘由 TXD 送出。將 74LS164 的 A、 B 端與 RXD 相連， CLK 與 TXD 相連 MR 接STC89C52 T2EX（ ） 信號 A 信號 B 信號 C =1 =1 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 高電平，在滿 足條件時數(shù)據(jù)就傳送到 74LS164 并寄存。將前一個 74LS164QH 端接到下一個 74LS164QA 端，在將 CLK 連接到一起并接到 TXD，則送數(shù)據(jù)時，前后數(shù)據(jù)就依次從上一個片子傳到下一個片子。 74LS164 與數(shù)碼管的連接如圖 64 所示。 圖 64 74LS164與數(shù)碼管接線圖 開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)設(shè)計 28 7 軟件設(shè)計 本文以 STC89C52 為核心構(gòu)成的 SRD 系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)速方法，系統(tǒng)有兩個反饋環(huán)，即速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。速度反饋信號取自位置傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號 頻率 ， 與 被給定速度相減后作為速度環(huán) PI 調(diào)節(jié)器的輸入，而速度調(diào)節(jié)器的輸出信號 經(jīng)換算成占空比的變化 ， 即 控制 PWM 信號的脈寬。控制器以恒定的斬波頻率控制功率變換電路中主開關(guān)器件的開斷，并通過調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷的時間比例，來調(diào)節(jié)相繞組兩端的平均電壓，同時基于最優(yōu)開通角調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)調(diào)速。 系統(tǒng)軟件是調(diào)速系統(tǒng)的核心，很 大程度上決定了系統(tǒng)運行性能的優(yōu)劣，開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)軟件的主要功能是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)和實際轉(zhuǎn)速發(fā)出相應(yīng)繞組開、關(guān)信號。系統(tǒng)中要實現(xiàn)包括電動機狀態(tài)值的采樣與計算、控制算法的實施以及 PWM 信號的輸出，單片機根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信息，并綜合各種保護信號、給定信息以及轉(zhuǎn)速情況， 給出相通斷信號。 軟件的模塊程序大體分為 :主程序 和 中斷處理程序。主要程序為 :主程序、運行子程序、測速子程序。中斷處理程序為 :定時器 T0 周期中斷服務(wù)程序、定時器 T1 周期中斷服務(wù)程序、 INT1 過流 中斷處理程序。 主程序設(shè)計 本系統(tǒng)軟件使用模塊化編程 ，所以主程序的工作主要是對各子程序的調(diào)用和組織。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。初始化操作完成之后，系統(tǒng)調(diào)用起動程序，完成系統(tǒng)的軟起動。軟起動之后，系統(tǒng)調(diào)用正常運行子程序，進入正常運行狀態(tài)。主程序流程圖如圖 71 所示。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 71 主程序流程圖 啟動程序設(shè)計 SR 電機起動時，相繞組的通電時間長，從而造成相電流周期長、磁鏈及電流峰值大，容易導(dǎo)致 功率變換器主電路中的主開關(guān)器件的損壞。因此， PWM 調(diào)壓控制中的占空比不能在起動階段一下子加大，而必須采用軟起動的方法，在本程序中采用循環(huán)累加的方法逐步加大占空比，同時在加速過程中實時檢測電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速大