【正文】 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)。由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)高頻的開(kāi)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 。模塊設(shè)計(jì)如圖 所示。 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。外部中斷 0 作為擴(kuò)展留用。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。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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。 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。 (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。 在 PID 控制算法中存在著比例、積分、微分三種控制作用。其功能流程圖如圖 所示。 CP/RT2：捕獲 /重裝載標(biāo)志，只能通過(guò)軟件的置位或清除。 EXF2 也是只能通過(guò)軟件來(lái)清除的。 啟動(dòng)程序開(kāi)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(shū) 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。 初始化 啟動(dòng)程序 啟動(dòng)完畢 主控程序 是否停機(jī) 開(kāi)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(shū) 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。主程序流程圖如圖 71 所示。 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?？刂破饕院愣ǖ臄夭l率控制功率變換電路中主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷，并通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)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(kāi)通角調(diào)節(jié)，從 而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。將前一個(gè)74LS164QH 端接到下一個(gè) 74LS164QA 端，在將 CLK 連接到一起并接到 TXD，則送數(shù)據(jù)時(shí)，前后數(shù)據(jù)就依次從上一個(gè)片子傳到下一個(gè)片子。當(dāng) A、 B 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（ CLOCK） 脈沖上升沿作用下 Q0 為低電平。 74LS164 是一個(gè) 8 位移位寄存器（串行輸入，并行輸出），其 DIP 引腳圖如圖 所示。由三個(gè)位 置傳感器信號(hào)的組合經(jīng) 過(guò) 異或門(mén)處理后會(huì)在每個(gè)換相時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)下降沿 信號(hào) 送給單片機(jī)，讓單片機(jī)做出換相處理。 6 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中要求采用 AT89C51， AT89C51 單片機(jī) 內(nèi)含有 Flash 程序存儲(chǔ)器、SRAM、 UART、 SPI、 A\D、 PWM 等模塊。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(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。這種方案對(duì)蓄電池供電的系 統(tǒng)是合適的。當(dāng) SA 導(dǎo)通時(shí)， A 相 Cs 對(duì)繞組供電； SA 斷開(kāi)時(shí)， 下側(cè) VD 導(dǎo)通，繞組經(jīng) VD 續(xù)流向 B 相 Cs 充電。此種線路具有如下特點(diǎn) : (1) 各主開(kāi)關(guān)管的電壓定額為 Us； (2) 由于主開(kāi)關(guān)管的電壓定額與電機(jī)繞組的電壓定額近似相等，所以這種線路用足了主 開(kāi)關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來(lái)控制相繞組電流； (3) 由于每相繞組接至各自的不對(duì)稱半橋，在電路上相與相之間是完全獨(dú)立的； (4) 每相需要兩個(gè)主開(kāi)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(shì)。 圖 不對(duì)稱半橋式驅(qū)動(dòng)電路圖 以 A 相繞組為例，每相有兩 個(gè)主開(kāi)關(guān)管（即主開(kāi)關(guān)器件） V1， V2 及兩只續(xù)流二極管 VD1, VD2。如下圖所示，電流反饋信號(hào)和電流給定信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器比較，產(chǎn)生斬波控制信號(hào)。其引腳圖如圖 。當(dāng)要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，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。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32us，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。 調(diào)速信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在調(diào) 速時(shí)需要一個(gè)漸變的速度，則需一個(gè)模擬量來(lái)反映速度的變化。而磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器（簡(jiǎn)稱 LEM 模塊）把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起， 具有測(cè)量、反饋、保護(hù)三重功能。它有四根引線，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)垂直穿過(guò) HL，且控制電流輸入端（ 3 端）通過(guò)外電源供給恒定電流 I 時(shí)，則在信號(hào)電壓輸出端（ 4 端）便有霍爾（效應(yīng)）電壓 HU 輸出，即 ? ? 00s in UIBU HH ??? ?? 圖 霍爾元件工作原理圖 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 48 頁(yè) 被檢測(cè)電流 I 產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場(chǎng)，垂直穿過(guò)霍爾元件，且有B∝ I,則有 HU ∝ I，所以測(cè)得 HU 及等效測(cè)出 I。 上述（ 2） （ 4）項(xiàng)都要進(jìn)行電流的磁通密度變換，相對(duì)復(fù)雜些；電阻 采樣簡(jiǎn)單易行，但有附加損耗，且易引入主電路的強(qiáng)電干擾。 目標(biāo)速度輸入 單 片 機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn)命令輸入 位置信號(hào)輸入 速度顯示 換相輸出 PWM 波輸出 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 光電轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器電路 表 光耦輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系 轉(zhuǎn)子位置狀態(tài) 導(dǎo)通相 ① ② ③ 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 0 0 1 A C 1 0 1 A B 1 0 0 C B 1 1 0 C A 0 1 0 B A 0 1 1 B C 電流信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相電流檢測(cè)是電流斬波控制方式運(yùn)行的需要，也是過(guò)電流保護(hù)的需要。 本系統(tǒng)選用 SRD 中用得最多的簡(jiǎn)單可靠的光電式位置傳感器，它由靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分組成。那么信號(hào)采集部分和主控系統(tǒng)部分將是本次畢設(shè)任務(wù)的重點(diǎn)，預(yù)期要完成測(cè)速、速度顯示、邏輯換相和調(diào)速這四項(xiàng)功能，系統(tǒng)框圖如圖 6。徑 向磁吸力也是一個(gè)脈動(dòng)的力波，在齒對(duì)槽位置時(shí)最小，在齒對(duì)齒位置時(shí)最大。 由于 SR 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是波 動(dòng)性質(zhì)的，因此，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是導(dǎo)致 SR電機(jī)的噪聲、振動(dòng)的一個(gè)原因；但是隨著研究的深入，各國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)只是電機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因之一，在某些電機(jī)實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)導(dǎo)致的噪聲甚至不是最主要的，因徑向單邊磁拉力而引起的電磁噪聲在電機(jī)噪聲中反而占據(jù)更大的比例。與傳統(tǒng)電機(jī)一樣， SR 電機(jī)的噪聲主要由三大部分組成 :機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲。 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有其獨(dú)到的特 點(diǎn)： ① 反 向制動(dòng)，即給原轉(zhuǎn)向狀態(tài)相反的順序通電。 SR 電動(dòng) 機(jī)由靜止不動(dòng)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)必須經(jīng)歷一個(gè)起動(dòng)過(guò)程，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同， SR 電動(dòng)機(jī)始終工作在有位置反饋的自同步狀態(tài)，因此， SR電動(dòng)機(jī)不存在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中因起動(dòng)頻率過(guò)高而引起失步導(dǎo)致起動(dòng)失敗的問(wèn)題。 通過(guò)對(duì)以上幾種控制方法的分析可知，不同的控制方法有不同的優(yōu)點(diǎn)，也有不同 的適用范圍，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)特性差異也很大，因此選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞绞窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)者的重要任務(wù)。具體方法是固定 on? 和 of? ，用 PWM 信號(hào)調(diào)制主開(kāi)關(guān)器件相控信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓加在相繞組上的的有效時(shí)間寬度，改變相電壓的有效值，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。角度控制也稱單脈沖控制，因?yàn)殚_(kāi)通期間內(nèi)開(kāi)關(guān)元件始終導(dǎo)通。優(yōu)化目標(biāo)不同， on? 與 of? 的最優(yōu) 組合往往也不同。 角度位置控制 （ APC） 方式 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在基速至第二臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較大，繞組電流上升率低，電流較小，為獲得恒功率機(jī)械特性，常采用角度位置控制方式。顯然，當(dāng)固定開(kāi)通、關(guān)斷角時(shí)，調(diào)節(jié)斬波就相當(dāng)于調(diào)節(jié)關(guān)斷角，或者說(shuō)是電流開(kāi)通區(qū)間的長(zhǎng)度。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制簡(jiǎn)單的說(shuō)就是對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)上述控制參量的不同，主要可分為以下三種控制方式 :角度位置控制 (APC，又叫單脈沖控制 )、電流斬波控制 (CCC，又叫電流 PWM 控制 )、電壓斬波控制 (CVC，又叫電壓 PWM 控制 )。而每個(gè)控制器功能的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)合理的控制策略，本節(jié)著重研究開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制原理，介紹各種調(diào)速控制方案。 在上述假設(shè)條件下的電機(jī)模型為理想線性模型，繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系如圖 3 所示。 在線性模型中作如下假設(shè)； (1) 忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，且磁通率，因此繞組電感 L 是轉(zhuǎn)子位置的分段線性函數(shù)。 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本方程 SR 電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但其雙凸極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、磁路和電路的非線性、開(kāi)關(guān)性，使得電機(jī)的各個(gè)物理量隨 轉(zhuǎn)子位置作周期性變化，定子繞組電流和磁通波形極不規(guī)則，傳統(tǒng)電機(jī)的性能分析方法難以簡(jiǎn)單地用于 SR 電機(jī)計(jì)算，不過(guò) SR 電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程仍然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定率等基本的電磁關(guān)系上，并可由此寫(xiě)出 SR 電機(jī)的基本平 衡方程式。在一個(gè)通電周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò) 30x30176。 當(dāng) A 相通電時(shí) ,因磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，扭曲磁力線產(chǎn)生的切向力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，最總將使轉(zhuǎn)子 13極軸線與定子 AA1極軸線對(duì)其， A相斷電， C相通電，則使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最終使轉(zhuǎn)子 24級(jí)軸線與定子 CC1極軸線對(duì)齊，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò) 30176。 電 動(dòng)機(jī)相數(shù)定轉(zhuǎn)子極數(shù)與步進(jìn)角之間關(guān)系如下表 所示。因此， SR 電機(jī)要突出速度控制和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率，故其設(shè)計(jì)思路大不相同。這是 SR 電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的相似之處，但是在以下兩方面 SR 電機(jī)不同于步進(jìn)電機(jī)。 SR 電機(jī)的轉(zhuǎn)子不存在勵(lì)磁及轉(zhuǎn)差損耗，功率變換器開(kāi)關(guān)器件少，相應(yīng)的損耗也小。一般用于電機(jī)低速區(qū)。關(guān)鍵在于將角度量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)速度時(shí)的時(shí)間可控量。 ，調(diào)速范圍寬。 ，低起動(dòng)電流。從而可使 每相繞組只需中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 48 頁(yè) 一個(gè)主開(kāi)關(guān)，降低功率驅(qū)動(dòng)器成本。而 SR 電機(jī)各相繞組和磁路相互獨(dú)立，在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。同時(shí)其轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度很高，可用于超高速運(yùn)轉(zhuǎn)(10000r/min)。單向、脈動(dòng)以及波形隨運(yùn)行方式、運(yùn)行條件不同而變化很大是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相電流的基本特 點(diǎn)。微機(jī)信息處理功能大部分是由軟電源 指令輸入 功率 變 動(dòng)器 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 負(fù)載 電流檢測(cè)器 位置檢測(cè)器 控制器 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 48 頁(yè) 件完成， 所以 軟件也是控制 器的一個(gè)重要組成部分。 SRD 的分類主要取決功率驅(qū)動(dòng)器。 1．開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱 SRM） SRD 中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件也是 SRD 有別于其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 其 主要標(biāo)志它遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理 是 由磁拉力作用產(chǎn)生具有磁阻性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩采用雙凸極結(jié)構(gòu)是要使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁路的磁阻要盡可能大地變化。 1985 年華中理工大學(xué)研制以 SCR 為功率開(kāi)關(guān)器件的 kW 的 SRD 系統(tǒng)；1987 年，北京紡織機(jī)械研究所 和 南京調(diào)速電機(jī)廠合作開(kāi)發(fā)了 3kW 的 8/6 極、以BJT 為功率開(kāi)關(guān)器件和以單片機(jī) 8751 為核心芯片的控制器的 SRD 系統(tǒng)產(chǎn)品；1993 年， 30kW 級(jí)別的 SR 電機(jī)在山東淄博電機(jī)二廠通過(guò)鑒定； 20xx 年，國(guó)內(nèi)10kW 以上的 SR 電機(jī)已應(yīng)用于煤礦的采煤機(jī)，并 且 開(kāi)始進(jìn)行 180kw 的 SR 電機(jī)在地鐵機(jī)車上的應(yīng)用研制。 這一 產(chǎn)品的出現(xiàn)在電氣傳動(dòng)界引起了不小的反響。 在 國(guó)外， 70 年代初，美國(guó) FORDMOTOR 公司研制出了最早的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) (Switched Reluctance Drive)。一方面，采用直接數(shù)字控制簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，另 外 一方面，直接數(shù)字控制符合 SRD 系統(tǒng)的特點(diǎn)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展為直接數(shù)字控制提供了強(qiáng)大的物質(zhì)和技術(shù)支持，