【正文】 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 29 圖 71 主程序流程圖 啟動程序設計 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，容易導致 功率變換器主電路中的主開關器件的損壞。軟起動之后，系統(tǒng)調用正常運行子程序，進入正常運行狀態(tài)。系統(tǒng)起動后首先調用初始化子程序，完成諸如具有復用功能的 I/O 腳的選擇和設置、各種中斷功能的選擇及其設置、系統(tǒng)變量的初始化，最后完成開中斷。中斷處理程序為 :定時器 T0 周期中斷服務程序、定時器 T1 周期中斷服務程序、 INT1 過流 中斷處理程序。 軟件的模塊程序大體分為 :主程序 和 中斷處理程序。 系統(tǒng)軟件是調速系統(tǒng)的核心，很 大程度上決定了系統(tǒng)運行性能的優(yōu)劣，開關磁阻電機調速系統(tǒng)軟件的主要功能是根據(jù)轉子位置狀態(tài)和實際轉速發(fā)出相應繞組開、關信號。速度反饋信號取自位置傳感器輸出的轉子位置信號 頻率 ， 與 被給定速度相減后作為速度環(huán) PI 調節(jié)器的輸入，而速度調節(jié)器的輸出信號 經換算成占空比的變化 ， 即 控制 PWM 信號的脈寬。 74LS164 與數(shù)碼管的連接如圖 64 所示。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 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 27 高電平，在滿 足條件時數(shù)據(jù)就傳送到 74LS164 并寄存。當 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)。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。 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。速度顯示利用 74LS164 芯片擴張 8 位 LED 串行顯示接口電路。 其邏輯關系如圖 62。 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。 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，他結合單片機內部的電路，產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。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 25 6 主控系統(tǒng)設計 單片機系統(tǒng) STC89C52 是 STC 公司生產的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 (6) 在大電感負載下， IGBT 的開關時間不能太短，以限制尖峰電壓，確保 IGBT的安全。 應選的小些，一般取 1215V。增大時， IGBT 通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的 I。 (3) 驅動電路要能傳遞幾十 KHz 的脈沖信號。 (2) 用內阻小的驅動源對 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 的開關損耗盡量小。 同其它自關斷器件一樣， IGBT 對其驅動電路有許多特殊要求，概括起來，這些要求為 。根據(jù)這些要求，在中、小功率的開關磁阻調速系統(tǒng)中都傾向于選用 MOSFET 或 IGBT。這些器件的性能各不相同，適用場合也不盡相同。因此主開關器件的選擇至關重要。 圖 52 分裂式功率驅動電路 開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)設計 24 由于本設計的背景是三相 12/8 極 開關磁阻 電動機，則多采用不對稱半橋式功率驅動電路。每個主開關器件和續(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。當 SB 導通時， B 相Cs 向繞組供電； SB 斷開時，繞組經 VD 續(xù)流向 C 相 Cs 充電，依次向 D 相充電。 另一種分裂式驅動電路如圖 52，電源 Us 被兩個相等的電容 Cs 一分為二，各相主開 關器件和續(xù)流二極管依次上下交替排布。這種接線，除了電動機繞組與每相開關串聯(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。當 V1， V2沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 23 同時關斷時， A 相繞組產生的 反向電壓回流 ，則 VD1, VD2 正向導通， 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。其中上下兩只主開關管是同時導通和關斷的。 驅動電路設計 如圖 51 所示為采用不對稱半橋線路 式 的三相 SR 電機功率驅動主電路。 開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)設計 22 5 驅動系統(tǒng)設計 功率驅動器是 SR 電動機運行時所需能量的供給者，在整個 SRD 成本中功率驅動器占有很大比重，合理選擇和設計功率變換器是保證 SRD 系統(tǒng)具有較高選取對 SR電機的設計也直接產生影響，應根據(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 的功率驅動器應具有以下特點： （ 1） 最少的開關元件數(shù)； （ 2） 保證電源電壓全部施加于相繞組； （ 3） 開關元件的額定值接近于電動機額定電壓； （ 4） 開關的調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。 圖 45 ADC0832引腳圖 圖 46 過流識別電路 保護電路設計 在開關磁阻電機系統(tǒng)中，為了防止低速時相電流上升過高導致主開關 或繞組燒毀， 我們要做電流保護，即信號經過運放比較器，比較器有一個參考電壓，當信號低于這個參考電壓，信號經過運算放大后輸出；當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整 PWM波輸出 。在第 3 個脈沖下沉之前 DI 端應輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能 。此時芯片開始轉換工作，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。當ADC0832 未工作時其 CS 輸入端應為高電平，此時芯片禁用， CLK 和 DO/DI 的電平可任意。 ADC0832 與單片機的接口應為 4 條數(shù)據(jù)線，分別是 CS、 CLK、 DO、 DI。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。本設計考慮到單片機 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)轉換的任務。當原邊導線經過電流傳感器時，原邊電流 pI 會產生磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內置在磁芯氣隙中的霍爾電片可產生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應電壓，通過后續(xù)電子電路可把這個微小的信號轉變成副邊電 流 sI ，并存在以下關系式： ppss NINI ? 因此，測得 sI 數(shù)值就能間接反映出被測電流 pI 的大小。其工作原理如 圖 44 所示。直接檢測式霍爾電流傳感器的主要不足是當被檢測電流過大時，為不使磁路飽和，保證測量的線性度，必須相應增大鐵心的截面積，這就造成檢測裝置的體積過大。但霍爾電壓 HU 一般只有幾十毫伏，應而后面必須加放大器。 霍爾元件（ HL）檢測電流的工作原理可用圖 43 來說明?；魻栯娏鱾鞲衅魇菄H上電子線路中普遍采樣的電流檢測元件。 鑒于 SR 電動機功率變換器中，輸出的相電流是單向脈動的，可用以下幾種方法檢測電流，即 （ 1） 電阻采樣； （ 2） 直流電流互感器 采樣 ； （ 3） 霍爾元件采樣； （ 4） 磁敏電阻采 樣 。單相、脈動以及波形隨運行方式和運行條件變化很大是開關磁阻電機相電流的基本特點。由這三個傳感器信號組成的六種狀態(tài)分別代表不同的轉子位置，次六種信號狀態(tài)與正 、 反轉導通相的邏輯關系如 表 41 所示。 開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)設計 18 圖 42 三相 12/8極 SR電機位置 傳感器示意圖 經光電傳感器得到的信號經 信號調理電路可輸出兩路相差 15176。的傳感器方可確定轉子轉動的角度位置，所以采用相距 15176。, 角度識別為 45176。原理圖如圖 41 所示。這種傳感器將一只紅外光發(fā)射管和一只紅外光電三極管分別固定在一只 U 型支架的二臂上，二臂相對的面上各開有一條窄縫，以利于發(fā)射管發(fā)出的紅外線被光敏三極管所接受。前者包括紅外發(fā)光二極管、紅外光敏二極管和輔助電路；后者為與 SRM轉子同軸安裝的 176。轉子位置檢測的傳感器可采用多種形式，如霍爾傳感器、光電式傳感器、接近開關式傳感器、諧振式傳感器和高頻耦合式 傳感器等。 目標速度輸入 單 片 機 運轉命令輸入 位置信號輸入 速度顯示 換相輸出 PWM波輸出 沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 17 4 信號采集系統(tǒng)設計 位置信號采集系統(tǒng)設計 位置傳感器是開關磁阻電機的關鍵部件和特征部件。此外， PWM波的生成也需要由定時器來完成，則定時與中斷的合理運用便是此系統(tǒng)編程成敗的關鍵。軟件編程則利用 STC89C52 比普通 51 單片機強大的T2 定時器捕獲功能，同時完成轉速測時和換相中斷的任務。由于單片機輸入和輸出的信號量非常多 ，所以 I/O 口線難免緊張。 那么信號采集部分和主控系統(tǒng)部分將是本次畢設任務的重點，預期要完成測速、速度顯示、邏輯換相和調速這四項功能，系統(tǒng)框圖如圖 31。 開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)設計 16 3 系統(tǒng) 總體 設計 本次畢設課題的主要任務是完成開關磁阻電動機控制系統(tǒng)的設計，達到基本的運轉和調速的功能。徑向磁吸力也是一個脈動的力波，在齒對槽位置時最小，在齒對齒位置時最大。磁吸力可分成兩個方向的分量 :切向磁吸力和徑向磁吸力，切向磁吸力正是所需要的使電機運行的電磁轉矩。 由于 SR 電機的轉矩是波動性質的，因此，轉矩波動是導致 SR 電機的噪聲、振動的一個原因；但是隨著研究的深入，各國學者發(fā)現(xiàn)，轉矩波動只是電機噪聲產生的原因之一，在某些電機實驗中轉矩波動導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噪聲中反而占據(jù)更大的比例?？諝鈩恿υ肼曈呻姍C內的冷卻風扇產生，主要由風扇的型式、風葉和通風道及進出口的結構設計決定，該噪聲占整個噪聲的比例一般是比較小的。與傳統(tǒng)電機一樣， SR 電機的噪聲主要由三大部分組成 :機械噪聲、空氣動力噪聲和電磁噪聲。 ② 外電阻制 動，開關控制外界一相電阻跨接電機繞組， 利用繞組自身的反電動勢形成方向轉矩，達到制動的目的。 開關磁阻電動機的制動方式有其獨到的特 點： ① 反 向制 動，即給原轉向狀態(tài)相反的順序通電。 在起動瞬間 0?r? ，故旋轉電動勢為零，若加額定電壓 Us 直接起動，相電流將過大，由此產生的過大動態(tài)沖擊轉矩可能會損壞電動機和傳動機構，甚至燒毀電機繞組的開關器件，因此必須在起動期間采用電流斬波控制方式限制起動電流的幅值。 SR 電動機由靜止不動到正常運轉必須經歷一個起動過程，與步進電動機不同，SR 電動機始終工作在有位置反饋的自同步狀態(tài)，因此， SR 電動機不存在步進電動機起動過程中因起動頻率過高而引起失步導 致起動失敗的問題。綜合考慮幾種控制方式的適用范圍和優(yōu)缺點，本設計采用了單一的控制方式脈寬調制 (PWM)控制方式。 開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)設計 14 通過對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，也有不同 的適用范圍，對應的電動機特性差異也很大，因此選擇適當?shù)目刂品绞绞窍到y(tǒng)設計者的重要任務。通過對轉速的給定值和實際轉速的反饋值之差進行 PI 運算，調節(jié) PWM 信號占空比，達到轉速快速響應。具體方法是固定 on? 和 off? ，用 PWM 信號調制主開關器件相控信號，通過調節(jié)PWM 信號的占空比，從而調節(jié)勵磁電壓加在相繞組上的的有效時間寬度，改變相電壓的有效值，進而改變輸 出轉矩。因此，這種方式比較適合在短時間里快速達到期望電流的場合，如較高機械轉速下的控制。角度控制也稱單脈沖控制，因為開通期間內開關元件始終導通。實際采用的 APC 調節(jié)法，一般都先優(yōu)化固定 off? ，然后通過閉環(huán)調節(jié) on? 。優(yōu)化目標不同， on? 與 off? 的最優(yōu) 組 合往往也不同。角度位置控制的控制非常靈活，但 on? 與 off? 的組合非沈陽航空航天大學畢業(yè)設計（論文） 13 常多，使得控制參數(shù)的選擇較為復雜，這就存在一個角度位置控制參數(shù)優(yōu)化的問題。 圖 24 CCC控制方式下的相電流波形 角度位置控制 （ APC） 方式 開關磁阻電動機運行在基速至第二臨界轉速區(qū)域，轉速較高，旋轉電動勢較大，繞組電流上升率低，電流較小，為獲得恒功率機械特性，常采用角度位置控制方式。因此， CCC 方式 同樣具有簡單直接，可控性好的特點，也避免了 APC 方式中的“敏感”問題，與后面的