【導(dǎo)讀】所無(wú)法比擬的顯著特點(diǎn)。論文以三相6/4極SRM為研究對(duì)象，完成了以單片機(jī)。行了設(shè)計(jì)，具有過(guò)流保護(hù)功能。同時(shí)本設(shè)計(jì)采用了模塊化的編程方法，增強(qiáng)了程。序的可讀性和易操作性。基于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)線性動(dòng)態(tài)模型,利用Protues軟。件,對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真。為此系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)打下了基礎(chǔ)。達(dá)到了預(yù)期的SRD控制效果。本文用該設(shè)計(jì)進(jìn)行了開關(guān)磁阻電機(jī)控制的模擬試。課題的研究進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐。

　　

【正文】 STC89C51 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(gè)反饋環(huán)，即速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。速度反饋信號(hào)取自位置傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào) 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(hào) 經(jīng)換算成占空比的變化 ， 即 控制 PWM 信號(hào)的脈寬?？刂破饕院愣ǖ臄夭l率控制功率變換電路中主開關(guān)器件的開斷，并通過(guò)調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷的時(shí)間比例，來(lái)調(diào)節(jié)相繞組兩端的平均電壓，同時(shí)基于最優(yōu)開通角調(diào)節(jié)，從 而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 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?yàn)?:主程序、運(yùn)行子程序、測(cè)速子程序。中斷處理程序?yàn)?:定時(shí)器 T0 周期中斷服務(wù)程序、定時(shí)器T1 周期中斷服務(wù)程序、 INT1 過(guò)流中斷處理程序。 主程序設(shè)計(jì) 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(duì)各子程序的調(diào)用和組織。系統(tǒng)起動(dòng)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(dòng)程序，完成系統(tǒng)的軟起動(dòng)。軟起動(dòng)之后，系統(tǒng)調(diào)用正 常運(yùn)行子程序，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。主程序流程圖如圖 71 所示。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 29 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 主程序流程圖 啟動(dòng)程序設(shè)計(jì) SR 電機(jī)起動(dòng)時(shí)，相繞組的通電時(shí)間長(zhǎng)，從而造成相電流周期長(zhǎng)、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(dòng)階段一下子加大，而必須采用軟起動(dòng)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(shí)在加速過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于 100r/min 時(shí)，認(rèn)為起動(dòng)階段已經(jīng)結(jié)束 。啟動(dòng)程序如圖72 所示。 初始化 啟動(dòng)程序 啟動(dòng)完畢 主控程序 是否停機(jī) 開始 否 是 否 是 是 否 是否啟動(dòng) 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 30 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 啟動(dòng)程序流程圖 主控模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)正常起動(dòng)后即進(jìn)入運(yùn)行模塊。運(yùn)行模塊是本系統(tǒng)程序的主要部分，主要是用來(lái)保證系統(tǒng)在給定的轉(zhuǎn)速下正常運(yùn)行?？刂扑惴ㄊ褂?PI 控制，通過(guò)對(duì)位置檢測(cè)器產(chǎn)生的中斷時(shí)間的處理，計(jì)算電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速并與給定值 (由模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 )比較，誤差作為 PI 速度調(diào)節(jié)器的輸入， PI 的輸出用來(lái)調(diào)節(jié)單片機(jī)的 PWM 口的占空比，從而調(diào)節(jié)加在 SR 電機(jī)相繞組兩端 的平均電壓達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 主控 程序流程圖如圖 所示。 啟動(dòng)程序開始 初始化 占空比累加 1 PWM 斬波程序 轉(zhuǎn) 速≥100r/min 啟動(dòng)程序結(jié)束 是 否 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 31 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 主控模塊流程圖 測(cè)速和換相程序設(shè)計(jì) 定時(shí)器 T2 的功能比 T T0 都強(qiáng)大，它是一個(gè) 16 位的具有自動(dòng)重裝和捕獲能力的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，它的計(jì)數(shù)時(shí)鐘源可以是內(nèi)部的機(jī)器周期，也可以是 輸入的外部時(shí)鐘脈沖。 T2 的控制寄存器 區(qū)別于定時(shí)器 T0 和 T1，在定義是需單獨(dú)定義，其 功能描述如下： T2CON（ T2 的控制寄存器） ,字節(jié)地址 0C8H： 符 號(hào) ： TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RT2 TF2：定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 溢出標(biāo)志， T2 溢出時(shí)置位，并申請(qǐng)中斷。只能用軟件清除，但 T2 作為波特率發(fā)生器使用的時(shí)候， (即 RCLK=1 或 TCLK=1),T2 溢出時(shí)不對(duì) TF2 置位。 EXF2：當(dāng) EXEN2=1 時(shí)，且 T2EX 引腳（ ）出現(xiàn)負(fù)跳變而造成 T2 的捕獲或重裝的時(shí)候， EXF2 置位并申請(qǐng)中斷。 EXF2 也是只能通過(guò)軟件來(lái)清除的。 EXEN2： T2 的外部允許標(biāo)志，只能通過(guò)軟件的置位或清除； EXEN2=0：禁止外部時(shí)鐘觸發(fā) T2； EXEN2=1： 當(dāng) T2 未用作串行波特率發(fā)生器時(shí)，允許外部主控程序開始 讀取 AD 轉(zhuǎn)換值 PI 算法程序 占空 比限幅 速度顯示 主控程序結(jié)束 是否停止 是 否 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 32 頁(yè) 共 48 頁(yè) 時(shí)鐘觸發(fā) T2，當(dāng) T2EX 引腳輸入一個(gè)負(fù)跳變的時(shí)候，將引起 T2 的捕獲或重裝，并置位 EXF2，申請(qǐng)中斷。 TR2： T2 的啟動(dòng)控制標(biāo)志； TR2=0：停止 T2； TR2=1：?jiǎn)?dòng) T2 C/T2： T2 的定時(shí)方式或計(jì)數(shù)方式選擇位。只能通過(guò)軟件的置位或清除；C/T2=0：選擇 T2 為定時(shí)器方式； C/T2=1：選擇 T2 為計(jì)數(shù)器方式，下降沿觸發(fā)。 CP/RT2：捕獲 /重裝載標(biāo)志，只能通過(guò)軟件的置位或清除。 CP/RT2=0 時(shí)，選擇重裝載方式，這時(shí)若 T2 溢出（ EXEN2=0 時(shí)）或者 T2EX 引腳 （ ）出現(xiàn)負(fù)跳變（ EXEN2=1 時(shí)），將會(huì)引起 T2 重裝載； CP/RT2=1 時(shí)，選擇捕獲方式，這時(shí)若 T2EX 引腳（ ）出現(xiàn)負(fù)跳變（ EXEN2=1 時(shí)），將會(huì)引起 T2 捕獲操作。但是如果 RCLK=1 或 TCLK=1 時(shí)， CP/RT2 控制位不起作用的，被強(qiáng)制工作于定時(shí)器溢出自動(dòng)重裝載模式。 本文利用了定時(shí)器 T2 的捕獲模式，即捕獲了電機(jī)需要換相的時(shí)刻，又捕獲了兩次換相的時(shí)間間隔，間接得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其功能流程圖如圖 所示。 圖 測(cè)速及換相流程圖 測(cè)速程序開始 T2 記滿溢出 保存捕獲時(shí)間 計(jì)算開通角 初始化 T0、開 T0 初始化 T2 測(cè)速程序結(jié)束 否 是 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 33 頁(yè) 共 48 頁(yè) 調(diào)速模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制的最終目的是實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到期望的轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)中軟件設(shè)定，當(dāng)設(shè)定期望的轉(zhuǎn)速和當(dāng)前的轉(zhuǎn)速的差值大于 5r/min 時(shí)，便進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。一般調(diào)速的方式通常采用 PID 控制的方法。 在 PID 控制算法中存在著比例、積分、微分三種控制作用。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 ： (1) 比例環(huán)節(jié) :成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差，使被控對(duì)象的輸出朝著誤差減小的方向變化。比例系數(shù) Kp 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系 統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 Kp 越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快， 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定； Kp 取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性變壞。 (2) 積分環(huán)節(jié) :主要用來(lái)消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分控制能記憶系統(tǒng)的誤差并進(jìn)行誤差累積，從而最終消除系統(tǒng)靜差。積分系數(shù) K，的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差， Ki 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 Ki，過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。由于加入了積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)不可避免的會(huì)存在滯后 特性， 積分作用太強(qiáng)則會(huì)使超調(diào)過(guò)大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞，以至于引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器，本文中用 PI 的輸出來(lái)控制單片機(jī) PWM 口的占空比，因此選用增量式 PI 控制器。所謂增量式 PI 是對(duì)位置PI 取增量 .數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出只是增量值。即 : ? ? ? ? ? ?? ? ? ?TiTTpT keKkekeKku ???? ? 1 PI 控制器的輸出作為 PWM 口占空比的增量， PWM 口的原輸出與 PI 控制器的輸出增量相加作為新的占空比輸出，從而調(diào)節(jié)加在 SR 電機(jī)相繞組上的電壓。 PI 調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖 所示。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 34 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 PI 算法示意圖 速度顯示模塊設(shè)計(jì) 速度采用 4 位共陽(yáng)數(shù)碼管的靜態(tài)顯示，陽(yáng)極經(jīng)電阻接公共 VCC，由單片機(jī)的串口提供 4 位段選碼。串口模式 當(dāng)設(shè)置 SM0、 SM1 的值分別為 0、 0 時(shí)，通用串行口工作在同步移位寄存器輸出模式。在這種工作模式下，串行口的波特率固定為 fosc / 12，發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)都是 8 位，數(shù)據(jù)由低位到高位依次傳輸。 同步模式將數(shù)據(jù)放入發(fā)送寄存器 SBUF 時(shí)啟動(dòng)發(fā)送功能，串行口把數(shù)據(jù)從RXD 引腳送出，低位在前，高位在后，發(fā)送完后將中 斷標(biāo)志 TI 置位， TXD 引腳輸出同步移位脈沖。如果還要輸出下一幀數(shù)據(jù)，則需要先用軟件將 TI 標(biāo)志清零。 單片機(jī)串口在發(fā)送 8 位數(shù)據(jù)的時(shí)候，先發(fā)送低位的數(shù)據(jù)再發(fā)送高位的數(shù)據(jù)，所以在程序編寫時(shí)應(yīng)注意發(fā)送數(shù)據(jù)的順序。 中斷程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)應(yīng)用最多的程序便是中斷程序： (1) 定時(shí)器 T0 中斷 和 T1 中斷 交替定時(shí)完成換相時(shí)開通角、關(guān)通角的定時(shí)和PWM 波占 、 空時(shí)間的定時(shí)。 PI 算法程序開始 ? ? ? ?1???? kkpT eeKku ? ? ? ? kiTT eKkuku ???? kk ee ??1 PI 算法程序結(jié)束 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 35 頁(yè) 共 48 頁(yè) (2) 外部中斷 1 為過(guò)流保護(hù)中斷，作用為接受到過(guò)流的低電平信號(hào)后即產(chǎn)生中斷，中斷輸出信號(hào) 毫秒后恢復(fù)輸出。外部中斷 0 作為擴(kuò)展留用。 (3) 定時(shí)器 T2 完成測(cè)速和換相的任務(wù)，具體流程圖如圖 所示。 8 SIMULINK 原理仿真 MATLAB/ SIMULINK 是建立仿真模型的理想環(huán)境 ， 它不但直觀、便捷、準(zhǔn)確 ， 而且 MATLAB 的工具箱為實(shí)現(xiàn)多種控制策略提供了可能 。 另外 ， 使用MATLAB 的中的各種分析工具 ， 還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化 ， 使 仿真研究更有效率。 本文利用 SRM 的 準(zhǔn)線性動(dòng)態(tài)模型 ， 在 MATLAB/SIMULINK 的環(huán)境中對(duì) (6/4)結(jié)構(gòu) SRD 的各部分進(jìn)行建模仿真 ，包括電機(jī)模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊，位置檢測(cè)模塊和 PI 調(diào)速模塊。 電機(jī)模塊 在 MATLAB/ SIMULINK 元件庫(kù)中有開關(guān)磁阻電機(jī)模塊，模塊圖如圖 。 圖 開關(guān)磁阻電機(jī)模塊圖 其中， TL 端為電動(dòng)機(jī)外帶負(fù)載的輸入斷； A1 為 A 相電流的輸入端， A2 為A 相電流輸出端，依次為 B 相和 C 相的電流輸入和輸出端； m 為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)輸出端，包括相磁通量、相電流、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 功率驅(qū)動(dòng)模塊 此模塊主要用于驅(qū)動(dòng) SRM 的 A、 B、 C 三相，由控制信號(hào) G 控制各相開關(guān)中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 36 頁(yè) 共 48 頁(yè) 器件（ IGBT）的導(dǎo)通，將電源的電能輸送給 SRM。模塊設(shè)計(jì)如圖 所示。 圖 驅(qū)動(dòng)模塊 圖 位置檢測(cè)模塊 此模塊用于得到各相的開關(guān)信號(hào)，并與 PI 調(diào)速模塊送出的 PWM 波相與。此外，經(jīng) z變換后得到轉(zhuǎn)角，即可以設(shè)定每相的開通角和關(guān)通角，在此設(shè)開通角為 40 度，關(guān)通角為 75 度，如圖 83 所示。 圖 83 位置檢測(cè)模塊圖 PI 調(diào)速模塊 PI 調(diào)速模塊分兩部分組成： PI 算法部分和 PWM 生成部分。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)高頻的開關(guān)特性， PWM 波需由高頻的脈沖波經(jīng)積分后并與給定值相比后得到，如圖 。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 37 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 PWM波生成 圖 系統(tǒng)仿真及結(jié)論 將上述模塊連接成一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到換相， PI 調(diào)速環(huán)和限流環(huán)的目的，同時(shí)還要根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角信息做出換相處理。其完整系統(tǒng)如圖 85。 圖 SRD 系統(tǒng)仿真圖 仿真得到的轉(zhuǎn)速波形如圖 ，給定 1500r/min，而最終速度也穩(wěn)定在1500r/min。 轉(zhuǎn)矩波形如圖 ，非常明顯地反映出了啟動(dòng)階段電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是不連續(xù)的，即轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同時(shí)，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩均值明顯大于勻速時(shí)的轉(zhuǎn)矩均值，說(shuō)明 SRM 電動(dòng)機(jī)具有大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)的特性。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 38 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 轉(zhuǎn)矩波形圖 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 39 頁(yè) 共 48 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 趙建領(lǐng) , 弓雷 . 51 單片機(jī)開發(fā)寶典 [M]. 北京 : 電子工業(yè)出版社 , . [2] 沈 輝 . SIMULINK 系統(tǒng)仿真與控制 [M]. 北京：北京大學(xué)出版社 , . [3] 吳紅星 . 開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù) [M]. 北京：中國(guó)電力出版社. [4] 王忠建 . 開關(guān)磁阻電機(jī)振動(dòng)的有限元分析與控制研究 [D]. 河海大學(xué)碩士學(xué)位論