（电机与电器专业论文）基于开关磁阻电机的电动车控制器设计.pdf

基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 c o n t r o lo fe l e c t r i cv e h i c l eb a s e do ns w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v e ，m o t o rv e h i c l ed e v e l o p sr a p i d l y a n di t s t r a i l g a s h a sc a u s e ds e r i o u sa i rp o l l u t i o n s o m ec i t i e sh a v ee n a c t e dl a w sa n d r e g u l 撕o i l st or e s t r i c tt h eu s eo fm o t o r c y c l ea n df u e l a i d v e h i c l et op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t ， t h e r e f o r e ，i ti sa ni m p o r t a n ts u b j e c tt od e v e l o pt h eg r e e nv e h i c l e a se l e c t r i cv e h i c l eh a st h e f e a t u r e so fp o r t a b i l i t y ，n o n p o l l u t i o n ，l o w n o i s ea n dl o wp r i c e s ，i tb e c o m e sa ni d e a lv e h i c l e s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) h a ss i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l ec o n t r o la n dh i g hr e l i a b i l i t y i tc a nw o r ke f f i c i e n t l yw i t l l i na r e l a t i v e l yw i d er a n g eo fs p e e d s r ma l s oh a sf i r ma n dd u r a b l e s t r u c n t r e i ts u i t sf o rt h ea p p l i c a t i o nu n d e ra d v e r s ec o n d i t i o n s a l lo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c s d e t e r m i n et h a ts r mi sf i tf o rt h ec o n t r o lm o t o ro f v e h i c l e t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ea p p l i c a t i o no ft h es w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ( s r d ) s y s t e mw i t hf o u rp h a s e8 6p o l ei nc o n t r o lo ft h ee l e c t r i cv e h i c l e i ta i m sa td e s i g n i n gt h e c o n t r o l l e ro f e l e c t r i cv e h i c l eb a s e do na v rm c u f i r s t l y ，a c c o r d i n gt os r m ss t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fo p e r a t i o n ，i te s t a b l i s h e ss r m s m a t h e m a t i c a lm o d e l a n a l y z e sa n dd e t e r m i n e st h em e t h o do fd e t e c t i n gt h es i g n a lo fs r m p o s i t i o na n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yu s e di nt h es y s t e m ：u s i n gs p e e do u t e r - l o o pa n dt h ec u r r e n t i n n e r l o o pd o u b l e c l o s e d l o o pa n dc o n t r o l l i n gt h ec u r r e n ti n d i r e c t l yt h r o u g hr e g u l a t i n gp w m c h o p p e rc o n t r 0 1 t h ep w m i sg e n e r a t e db yt i m e r1 y c 2o f t h ea v rm c u s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fa v rm c u ，i td e s i g n st h ee x t e m a l c i r c u i t sa n da l s od e s i g n ss r d sh a r d w a r ec i r c u i ti np a r t i c u l a r i tc o n t a i n sp o w e rv o l t a g e c o n v e r s i o nc i r c u i t ，v o l t a g es a m p l i n gc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i to ft h es y s t e m ，m o s f e td r i v e n c i r c u i t ，d e t e c t i n gc i r c u i to f p o s i t i o ns i g n a lm a dt h em e a s u r i n ga n dp r o t e c t i n gc u r r e n tc i r c u i t f u r t h e r m o r e ，i td e s i g n st h es y s t e ms o f t w a r eb a s e do nt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n de n h a n c e s t h ef u n c t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e sb r a k e ，o v e r c u r r e n tp r o t e c t i o n ，u n d e r v o l t a g ep r o t e c t i o na n d c o n s t a n ts p e e dc r u i s i n g f i n a l l y i tp r a c t i c a l l yo p e r a t e sa n dd e b u g st h ea u t o m a t i cd e s i g ns y s t e m t h er e s u l t so f s p e e dc u r v ea n dt h e c u r r e n tw a v e f o r mo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h e c o n t r o l l e ri sf e a s i b l e k e vw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ；e l e c t r i cv e h i c l e ；c o n t r o l l e r ；a v rm c u i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究3 - 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：能毽爻 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名： 詹寥z 丝且年上月监日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的意义 人类在进入工业化社会之后，大量使用地球上石油、煤炭等化石能源，使得空气中 的二氧化碳和二氧化硫急剧增加，造成了酸雨蔓延和温室效应，特别是二十世纪后期， 酸雨大面积扩展，几乎蔓延至所有国家，“厄尔尼诺现象”、“拉尼拉现象”频繁出现。 酸雨造成农作物减产，大片森林死亡；温室效应给工农业生产和人民生活造成的损失， 无法估量。目前，发展中国家的空气还在进一步恶化，我国作为世界上最大的发展中国 家，环境问题已经引起党和国家以及人民群众重视。机动车的广泛使用为今天的能源危 机和环境污染问题埋下了隐患。因此，研究生产出一种无污染、低噪音的交通工具已是 时代的需要。 ， 在经济发达国家，一般家庭除了必备汽车之外，通常还希望配备多辆小型交通工具， 供短途交通或休闲娱乐用，这对没有驾驶执照的老人和未成年入尤其具有吸引力。而亚 洲城市，一般人口众多，交通拥挤，自行车一直是大多数居民的主要交通工具。但随着 城市规模与人们日常活动范围的扩大，骑车就比较辛苦，特别是遇到恶劣的天气或路况 时，就更加费劲。而目前普通居民的购买力有限，小轿车普遍进入家庭还不太可能，况 且燃油、环境和场地等多方因素都制约着汽车不可能成为大众化的代步工具；燃油摩托 车曾一度成为许多城市比较普及的交通工具，但由于交通安全和环境保护等因素的影 响，近年来在许多大中城市己经采取了限制措施。 两轮电动车具有摩托车与自行车的综合优势：轻便、无污染、低嗓音且价格较为低 廉，被认为是一种安全、经济、清洁的真正的“绿色”交通工具，不仅在能源、环境方 而有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化 的目标，它无疑将最有希望首先替代传统的交通工具，成为私人交通工具的重要组成部 分。这是一个极其巨大的市场，尤其在人口居各大洲首位的亚洲，具有广阔的发展前景。 从7 0 年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到1 9 9 3 年，已被确定 为国家十大重点科技工程，并制定了电动汽车的发展目标【1 - 2 1 。而与汽车相比，灵活方 便的中短途个人交通工具，如自行车、助动车和摩托车等，在全球依然占据绝大多数。 全世界每天在役的自行车约为1 0 亿辆，每年有l 亿辆新自行车进入市场1 3 1 。实际上，全 球的电动车辆工业领域中发展最快的也是电动自行车、电动助动车和电动摩托车 4 1 等小 型电动车辆。 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 1 2 电动车驱动电机的发展 随着近代电力电子技术和控制技术的发展，以及电动车本身的众多优点，电动车技 术的迅速的发展，但对电动车的性能要求也越来越高。而电动车使用的电动机的类型对 电气驱动系统以及电动车整体性能影响非常大翻，评价电动车的电气驱动系统实质上主 要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车电动 机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机( s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ，简称s r m 或s r 电动机) 。由这四类电动机所组成的驱动系统，其 总体比较如表1 1 所示 6 - 7 1 。 表1 i 电动车电气驱动系统使用的电动机比较表 t a b 1 1 c o m p a r e d - l i s to f m o t o r su s e di ne l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e m i 赢咫 直流电动感应电动机 永磁无刷电 s r m 比较内容动机 、 机 控制方式差一般优优 电 大小、质量差优( 笼形转子)优 一般 动 高速运转能力差优 一般 优 机 维修性差优一般优 效率差一般优优 控 尺寸、质量优一般一般一般 制 控制性一般优优一股 装 置 功率元件数少 多多较多 综合评价差般( 坚固)优( 高效)较优 通过表1 1 可见，永磁无刷电动机和开关磁阻电机的性能是比较理想的。而开关磁 阻电机传动系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ，简称s r d ) 相对于永磁无刷电动机驱动系 统有以下几点优势： ( 1 )s r 电机起动电流i 。只有额定电流i n 的4 0 ，而起动转矩t 达到额定转矩t k 的1 4 倍时。而永磁无刷电动机的起动电流i 。很大。电动车是依靠蓄电池供电的，所以 - - 2 m 大连理工大学硕士学位论文 每次充电行驶的里程数有限，而s r 电动机具有高起动转矩和低起动电流，能有效的减 小电源损耗，提高里程数，且s r m 适用于频繁起停，因此非常适用于电动车。 ( 2 ) s r 电机转子上没有任何型式的绕组，定子上只有简单的集中绕组，因而造价 低，永磁无刷电机造价略高于s r 电机。 ( 3 )s 跳转矩的大小和方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率 电路中每相只要一个功率开关，四相8 6 极s r 电机的功率电路只需要4 个功率开关管， 而三相无刷电机需要6 个功率开关管。另外，s r d 系统中每个功率开关器件均直接与电 动机绕组相串联，从根本上避免了直通短路现象，因此s r d 系统中功率电路的保护电路 可以简化，既降低了成本，又具有较高的工作可靠性。 此外，s r d 系统本身还具有很多独特的优点： ( 1 )电动机结构简单，成本低，适用于低速 开关磁阻电机为双凸极结构 8 1 ，只有定子上有集中绕组，而转子上没有绕组，故结 构简单且坚固，工作可靠，成本低廉，易于维护，适用于恶劣条件下应用；转子上基本 没有涡流损失，因而效率高；没有绕组的转子使其易于实现高速；转子的凸极结构，决 定了其转动惯量小，易于快速响应。 ( 2 ) 系统可靠性高 从开关磁阻电动机的电磁结构上看，各绕组合和磁路相互独立，各自在一定转角范 围内产生电磁转矩，而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个 圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供 电，一般也是相互独立工作的。由此可知，当开关磁阻电动机一相绕组或控制器一相电 路发生故障时，只需停止该相的工作，电动机除了总功率有所减小外，并无其他妨碍。 因此s r d 系统具有极高的可靠性，可以应用于宇航等特殊场合。 ( 3 ) 效率高，损耗小 开关磁阻电动机系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机转子不存 在绕组损耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围内不存在绕组 铜损耗和不同负载下实现高效优化控制。 ( 4 )可控参数多，调整性能好 控制开关磁阻电机的主要运行参数和常用方法至少有四种。 开通角如j 关断角以矿： 相电流幅值i ： 相绕组电压u s 。 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据开关磁阻电机的运行要求和电机的情 况，采用不同的控制方法和可变的参数值，既可以使之运行于最佳状态( 如输出功率最 大，效率最高) ，也可以使之实现不同的功能和特定的特性曲线，如使开关磁阻电机具 有完全相同的四象限运行( 即正转，反转，电动，制动) 能力，并具有启动转矩和串励 电动机的负载能力曲线。 综上所述，s r d 系统需要的开关器件较少，易操作性强，可靠性好，电机和控制器 成本低，适用于恶劣条件下应用，s r d 系统被作为最具潜力的电动车电气驱动系统日益 受到重视1 9 1 2 l 。 当然s r d 系统也存在一些缺点，主要表现在：第一、s r m 的磁路是非线性的，给提高 控制性能带来了困难；第二、s r d 系统转子上产生的转矩有一系列脉冲转矩叠加而成， 因此转矩有很大的脉动；第三、由于s r d 系统功率变换器开关的频繁切换和转矩的波动， 工作时噪声与振动的问题较为突出；第四、s r d 系统位置检测器的存在，使系统变得复 杂，而且可靠性也有所降低，这些缺点正是s r d 系统研究者致力于解决或改善的问题。 目前，研究比较多的是基于数字信号处理器d s p 的s r d 系统，虽然d s p 对数字信号 的处理能力很强，但目前其软件资源还是很缺乏，加上高昂的价格和相对复杂的芯片结 构，很难适用在简单的应用上。也有使用电动车专用芯片，但控制不灵活，且无法做到 智能保护。a t m e l 公司推出的a v r 单片机，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机 ( c i s c ) 追求指令完备的做法；采用精简指令集f e a s c ) ，取指周期短，又可预取指令，实 现流水作业，故可高速执行指令1 1 3 d 5 】。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾 的。a t m e g a 系列单片机是基于r i s c 、低功耗c m o s 的8 位单片机，芯片内部集成了较 大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备a v r 高档单片机m e g e 系列的全部 性能和特点，但由于采用了小引脚封装( 为d t p2 8 和t q f p m l f 3 2 ) ，所以其价格仅与 低档单片机相当，并增加了更多的接口功能，而且在省电性、稳定性、抗干扰性及灵活 性方面都更加周全和完善。a t m e g a 4 8 的特性如下： 1 a t m e g a 4 8 因为采用了先进的r i s c 精简指令集结构，所以具有足够快的运行速 度，可达1 6 m i p s l 恤z ： 2 3 个p w m 通道，可实现任意小于1 6 位、相位和频率可调的p w m 脉宽调制输 出： 3 有2 6 个不同的独立中断源，并有特定的中断允许位，提高了系统的安全性； 4 片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器，存储空间 足以满足系统需要，并为系统的扩展提供必要保证： 大连理工大学硕士学位论文 5 2 3 个可编程i 0 口，可任意定义i 0 的输输出方向；驱动能力强，可直接驱 动l e d 等大电流负载，且多数的i 0 口为复用口，除了作为通用数字i 0 使用 外，其第二功能可作为芯片内部其他外围电路的接口； 6 具有三个定时，计数器，除了能够实现通常的定时和计数功能外，还具有捕捉、 比较、脉宽调制输出、实时时钟计数等更为强大的功能； 7 带a d c 转换，可直接输入模拟量、输出数字量； 8 有看门狗电路，一旦程序进入死循环能自动复位，保证系统工作的可靠性； 9 有空闲、省电、掉电三种低功耗方式，很适合低功耗系统的要求。 作为整个系统的控制核心，a t m e g a 4 8 单片机具有的功能特点使它非常适合应用于 电动车控制器。 1 3 本文所做的工作 本论文主要研究的是以a v r 单片机a t m e g a 4 8 为主控芯片的，并根据开关磁阻电 机的运行原理及两轮电动车的运行特性设计出的电动车控制器。电动车控制器要实现的 主要功能如下： 1 电动：电动车调速转把可在0 - 2 0 k m h 范围内调速； 2 定速：当手柄在某一位置停留时间到达6 s 或6 s 以上时，电动车进入定速行驶 状态，以下两种情况可以退出定速状态：转把回归到初始位置再转动或出现刹 车时： 3 欠压保护：当蓄电池电压低于4 2 v 时，强制制动电机，单片机停止t c 1 、t c 2 和引脚电平变化中断，只保留a d c ，当蓄电池电压恢复到4 5 v 以上再重新开始 正常工作； 4 过流保护：当系统功率电路中的电流超过额定电流2 8 a 时，停止t c 2 ，关断 p w m ； 5 刹车：在硬件上有刹车断电，在软件上，高速刹车时给电机加上制动转矩，低 速时依靠机械刹车即可。 本文的主要工作如下： 1 对开关磁阻电机的结构和控制原理进行分析，建立了数学模型； 2 确定系统的位置信号检测方案； 3 结合系统的具体控制策略【1 6 。1 8 1 ，设计了控制器的硬件系统； 4 结合a v r 单片机的特性和电动车的具体要求，编写了控制器的软件； 5 通过实验调试完善系统的软硬件，验证系统的运行效果。 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 2s r d 系统结构及运行原理 2 1s r 电动机的基本结构及工作原理 2 1 1 s r 电动机的基本结构 s r 电动机的定子和转子铁心是由硅钢片叠装而成的，在定子铁心内圆周和转子铁 心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。转子上既无绕组也无永磁体， 定子铁心每个齿上安装像直流电机主磁极绕组一样的集中绕组，定子内圆周上相对的两 个绕组可串联或并联在一起，构成“一相”f 1 恻，如图2 1 所示即为四相8 6 极s r 电 动机，有a 、b 、c 、d 四相绕组。 图2 1 四褶8 8 辍s r 电动机 一f i g 2 i f o u rp h a s e8 6p o l es rm o t o r 对于m 相s r 电动机，如定予齿极数为m ，转子齿极数为r ，则转子极距角( 简 称为转子极距) 为 2 万 一2 瓦 我们将每相绕组通电、断电一次转子转过的角度定义为步距角- 则其值为 = 7 m - - c = 熹 转子旋转一周转过3 6 0 。( 或孙弧度) ，故每转步数为 ，2 薏一， ( 2 1 ) ( 2 ，2 ) ( 2 3 ) 由于转子旋转一周，定子m 相绕组需要轮流通电坼次，因此，s r 电动机的转速 n ( r m i n ) - 与每相绕组的通电频率厶之间的关系为 大连理工大学硕士学位论文 甩= i 手 ( 2 4 ) v 7 而功率变换器的开关频率正为 正2 听2 叫盖 ( 2 5 ) 电动机的极数和相数与电机的性能和成本密切相关，一般地说，增加极数和相数， 能减小电动机的转矩脉动，运行平稳，但这也增加了电动机的复杂性和功率电路的成本； 减少相数，有利于降低成本，但转矩脉动会增大，且两相以下的s r 电动机没有自起动 能力( 指电机转子在任意位置下，绕组通电起动的能力) 。所以，最常用的是三相和四相 s r 电动机，特别是四相8 5 极结构电机其极数、相数适中，转矩脉动不大，特别是起动 较平稳，经济性也较好，这里选用的就是四相8 6 级。 2 1 2s r 电动机的工作原理 s r 电动机的运行遵循“磁阻最小原理”磁通总是沿磁阻最小的路径闭合嗍。当 定子某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭蓝而产生切向磁拉力，试图使相近的 转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。 下面以四相8 6 极s r 电动机为例，如图2 2 所示，说明s r 电动机的工作原理鲫。 图2 2 开关磁阻电机运行原理图 f i g 2 20 p e r a t i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 当a 相绕组单独供电时，在电动机内就会建立以a a ，为轴线的磁场，该磁场作用于 转子，转子受到的磁力就会使与其l i 缶近的转子极1 - 17 与定子极轴线a _ a ，重合，从而使转 子转动，并使a 相励磁绕组的电感最大。若在上述二者重合时改为b 相绕组通电，则磁 场产生的磁拉力使转子极2 2 与定子极轴线b b ，重合，从而使电动机逆时针转动。由此 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 可见。如果以图中的相对位置为起始位置，依次给卜b c d 相绕组通电，转子就会按与 励磁顺序相反的方向以逆时针方向连续旋转。反过来，如果依次给b 一卜d _ c 通电，转子 就会按照顺时针的反向转动。若改变相电流的大小，则可改变电动机转矩的大小。进而 可改变电动机转速。若在转子转离定子极时通电，所产生的电磁转矩与转子旋转方向相 反，为制动转矩。在s r m 中，转子的转向与相绕组的通电方向无关，仅取决于相绕组的 通电顺序。由此可见，通过简单地改变控制方式就可以改变电动机的转矩、转速、转向 和工作状态，因而开关磁阻电机有多种控制方式。同时要使开关磁阻电机持续转起来， 必须有可靠的开关元件和控制电路以根据转子位置控制各相导通关断。 综上所述，我们可以得出以下结论：s r 电动机的转动方向总是逆着磁场轴线的移动 方向，改变s r 电动机定子绕组的通电顺序，就可改变电机的转向；而改变通电相电流 的方向，并不影响转子转动的方向。 2 1 3s r 电动机数学模型的建立 c o r 电动机的工作原理和结构都比较简单，但由于电机的双凸极结构和磁路的饱和、 涡流与磁滞效应所产生的非线性，加上电机运行期间的开关性和可控性，使得电机的各 个物理量随转子位置周期性变化，定子绕组的电流和磁通波形极不规则，难以简单地用 传统电机的分析方法解析计算。 不过，s r 电动机内部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电流定律等基本的 电磁定律之上，由此可以写出s r 电动机的基本方程式。但基本方程式的求解是一项比 较困难的工作。为了弄清s r 电动机内部的基本电磁关系和基本特性，我们从理想的简 化模型入手进行研究。为此，我们作如下假设t 1 不计磁路的饱和影响，绕组的电感与电流大小无关； 2 忽略磁通的边缘效应； 3 忽略所有的功率损耗； 4 功率管的开关动作是瞬时完成的； 5 电机以恒转速运行。 在上述假设条件下的电机模型就是理想线性模型。这时，相绕组电感工随转子位置 角目的变化关系如图2 3 所示。图中横坐标为转子位置角( 机械角) ，它的基准点即坐标 原点( 肛0 泣置对应于定子磁极轴线( 也是相绕组的中心) 与转子凹槽中心重舍的位置( 把 这个位置叫做不对齐位置) ，这时相电感为最小值厶。；当转子转过半个极距( 1 8 0 。， r r ) 时， 定子磁极轴线与转子凸极中心对齐( 对齐位置) ，相电感为最大值三。随着定、转子磁 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 极重叠的增加和减少，相电感在工。和工。之间线性地上升和下降，上( 口) 的变化频率正 比与转子极数，变化周期为转子极距嚣。 “d 工啪 ： 入一 ； 占g i - - - - d - 定子tt t t tt 转子uui t i i lu - - 卜 图2 3 定、转子相对位置与相绕组电感曲线 f i g 2 3 r e l a t i v ep o s i t i o no fs t a t o ra n dr o t o ra n di n d u c t a n c ec u r v eo f p h a s ew i n d i n g 图2 3 中，皖为不对齐位置；0 2 为定子磁极与转子凸极开始发生重叠位置；绣为定 子磁极刚好与转子凸极完全重叠位置( 一般转子磁极宽度大于等于定子磁极的宽度) 临界 重叠位置；幺为对齐位置或最大电感位置；自为定子磁极与转子凸极即将脱离完全重叠 的位置；岛和岛为定子磁极刚刚与转子凸极完全脱离的位置。由此，我们可以得到理想 线性s r 电动机模型中相绕组电感与转子位置角的关系： i kqs 口 岛 即) 叫= 以卜k 删0 2 0 只0 3 【厶。一足够一只)0 4 0 以 式中j 珂。- 工。m ) ( 易一晚户。一。妯) ，风； 厉定子磁极极弧。 s r 电动机一相绕组的主电路如图2 4 所示，当电机由恒定直流电源硌供电时，一 相电路的电压方程为 士以= i r + 等 ( 2 7 ) 式中，“+ ”号对应于绕组与电源接通时，“一”对应于电源关断后绕组续流期间。 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 f 蝣 图2 4s r 电动机一相绕组主电路 f i g , 2 4 m a i nc i r c u i to f o t t op h a s ew m d i n go f $ rm o t o r 根据“忽略所有功率损耗”的假设，则上式可以简化为 士u ：业：业也+ 丝塑 击西西a 口击 ：三堕+ i 丝q 出a 日 在转速、电压一定的条件下，绕组电流仅与转子位置角和初始条件有关。由于绕组 电感1 4 0 ，i ) 的表达式是一个分段解析式，分段求解结果如下： ( 1 ) 在岛s 良晓区域内，d 吐嘶，式2 7 前取“+ ”，将初始条件i ( = o 代入。解 得 = 告警 o ( 2 ) 在o z e e o , r 区域内，三屯。凰p 0 2 ) ，酪前取“+ ”，得 妒) = 面u j a o 诵- o o o ) ( 2 1 0 ) ( 3 ) 在岔瘀护 火吨 导通相睦制 ： a i c l d bi d l 图2 8 两相起动时合成转矩波形 f i g 2 8s y n t h e s i st o r q u ec u r v ew h e nt w o p h a s es t a r t 从图可知，两相起动方式下的最小起动转矩为单相起动时的最大转矩，且两相起动 方式时的平均转矩增大，电机带负载能力明显增强；两相起动方式的最大转矩与最小转 矩的比值减小，转矩脉动减小。如果负载转矩一定，两相起动所需的电流幅值将明显低 于单相起动所需电流幅值。可见两相起动方式明显优于单相起动，所以一般都采用两相 起动方式。 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 2 4s r d 系统的位置信号检测 s r d 系统的反馈信号主要有电流、位置和速度三种信号。s r d 系统工作在自同步状 态，转予位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的根据。s r d 系统在起动和低速 运行时，通常采用电流斩波控制相电流的大小：即使在a p c 方式下，为了防止系统过载 或故障运行，也需要监测绕组的实际电流。因此，电流检测在s r d 系统中是必不可少的。 s r d 系统作为一种变速传动系统，为了保证系统具有优良的动、静态性能，必须依靠速 度控制环节，这就需要得到准确的速度信号。所以，位置、电流、速度三种反馈信号的 检测直接关系到s r d 系统的运行性能。 位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，以控制对应的相绕组通断。常见的位 置检测器有光敏式、磁敏式以及接近开关等含机械的位置检测方案。为了提高s r d 系统 的工作可靠性和高速性能指标，亦采用“无位置传感器”检测法。 一 ，l v i 巨骛臣蛰 l l 。一 - i p s 图2 9 光电位置检测器电路原理图 f i g 2 9 c i r c u i tp r i n c i p l ed i a g r a mo f p h o t o e l e e t r i c i t yp o s i t i o ns e n s o r 下面介绍一种应用最多的光敏式位置检测器，它是由光电耦合开关( 也叫光断续器) 和遮光盘组成的，其电路原理图如图2 9 所示。s r d 系统通常使用槽型光电开关，槽型 光电开关通常是u 型结构，其发射器( 发光= 极管) 和接收器( 光敏三极管) 分别位于u 型 槽的两侧，并形成一个光轴，当物体经过u 型槽且阻断光轴时，光电开关就产生开关信 号。光电开关可固定在定子上，亦可固定在机壳上。遮光盘有与转子凸极、凹槽数相等 的齿、槽，且齿槽均匀分布。遮光盘固定在转子轴上，与电机同步旋转，通过遮光盘， 使光敏元件导通和关断，产生包含转子位置信息的脉冲信号。 对于m 相s r 电动机，光电耦合开关可以有m 个或m 2 个为偶数) ，相邻两个光 电耦合开关之间的夹角a o 由下式决定； 厂 1 、 厂1 、 口= i 惫一二 r ，或厶日= i 一1 + 二l f ，( 丘= 1 ，2 ，- ) ( 2 1 ) 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 0 位置传感器 f i g 2 1 0 p o s i t i o ns e n s o r s fi|jl r p f ii r 广门 一 吾fi ! -7 i；足 一 i p lii i 芝 o o 1 5 0 3 0 04 5 0 卯。7 5 0 ，o o 图2 11 基本位置信号 f i g 2 1 1 b a s i cp o s i t i o ns i g n a l 例如，对于四相8 6 极s r 电动机而言，既可以采用四个光电开关检测转子位置( 全 数检测法) ，也可以采用两个光电开关检测( 半数检测法) ，多数s r d 系统采用半数检测 法，本文采用两个光电开关检测。 当采用两个光电开关检测时，两个光电开关之间的夹角可以为1 5 0 、4 5 0 或7 5 0 ，其 安装位置也有多种选择。图2 1 0 所示是位置传感器的一种安装方法，在某相定子绕组 中心线位置安装一个光电开关v o l ，再顺时针转过1 5 0 安装另一个光电开关v ，遮光盘 的齿槽等分为3 0 。电路通电后，可输出两路周期为6 0 0 、间隔为1 5 0 的脉冲序列，如图 2 1 l 所示，两路位置信号经过逻辑变换，即可用于控制四相绕组的通断。 这种检测方法将不对齐位置( 转子槽中心线与定子极中心线对准位置) 定义为角度 基准点，比较直观，易于控制。 图2 1 2 位置传感器实际电路 f i g 2 1 2 p l d c t i c cc i f c u i to f p o s i t i o ns c n s o r 为了消除干扰，光电耦合开关输出的信号需要经过整形。可采用滞环比较器电路防 止边沿抖动，用具有旌密特整形功能的非门来整形。图2 1 2 为一种位置传感器电路m t 2 引。 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 光电三极管的通断信号经比较器输出给施密特触发器整形，再经反相器反相输出位置信 号s 。 2 5 本章小结 本章主要介绍了s r 电动机的基本结构，建立了其数学模型，结合s r 电动机的工 作原理研究了s r d 调速系统的控制原理，并确定了开关磁阻电机的位置信号检测方案。 大连理工大学硕士学位论文 3 控制器的硬件电路设计 3 1 硬件系统概述 任何一个控制系统都离不开软件程序赖以实现的物质基础硬件电路系统的支 持。由于本文所研究的系统选用a v r 单片机a t m e g a 4 8 为主控芯片，a t m e g a 4 8 单片 机不仅具有强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，这 就大大简化了控制电路的硬件设计，加之采取了“硬件软化”的设计方案，使得整个控 制系统的硬件设计比较简洁。如图3 1 所示，控制系统主要由以下几个部分组成： 1 核心微处理器a t m e g a 4 8 ，主要功能是输出p w m ，根据位置信号输出换相信号， 处理电动车的起停、调速运行和保护； 2 电源电路，将4 8 v 电源转换为a t m e g a 4 8 的工作电压5 v 和i r 2 1 0 3 的工作电压 1 5 v ： 3 系统功率电路及m o s f e t 的驱动电路，驱动电路由i r 2 1 0 3 实现； 4 转子位置信号处理，检测转子位置，送至a v r 单片机的中断引脚； 5 转速给定部分，由电动车的手柄将转速的给定信号送到a t 单片机的a d c 口； 6 电流检测和保护部分，通过检测主电路上采样电阻的电压得到主电路上的电流， 完成保护功能，并将电流和保护信号送至a v r 单片机； 图3 1 控制系统框图 f i g 3 1 b l o c kd i a g r a mo f c o n t r o ls y s t e m 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 3 2a t m e g a 4 8 的外围电路设计 a t m e g a 4 8 是a v r 单片机增强型r i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器，属于a t m e g a 系列 单片机的一个子集，其内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路，i o n 增 加了引脚电平变换的功能，并且在软件上能有效支持c 语言及汇编语言。由于其先进的 指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a 4 8 的数据吞吐率高达1 6m i p s 删z ，从而 可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾嘲。 3 2 1 系统时钟的选择 a d c 具有专门的时钟，a v r 芯片有如下几种通过f l a s h 熔丝位选择的时钟源，如表3 1 所示。时钟输入到a v r 单片机的时钟发生器，再分配到相应的模块。 表3 1 时钟源选择 t a b 3 1c h o i c eo f c l o c kg e n e r a t o r 器件时钟选项熔丝位c k s e l 3 0 低功率晶振 1 1 1 i 一1 0 0 0 满振幅晶振 0 1 1 1 - 0 1 1 0 低频晶振 0 10 1 - 0 1 0 0 内部1 2 8 k h zr c 振荡器 o o l l 标准的内部r c 振荡器 0 0 1 0 外部时钟 0 0 0 0 保留 0 0 0 1 注：1 ) 对于所有的熔丝位。“i ”表示未编程，。0 ”代表已编程。 a t m e g a 4 8 已经置r c 振荡线路，可以产生1 m 、2 m 、4 m 、8 m 的振荡频率。不过，内置 的毕竟是r c 振荡，准确性不高，在本系统中需要比较精确的波特率，所以选用外部的晶 振线路。图3 2 是晶体振荡器连接图。x t a l l 与x t a l 2 引脚分别是片内振荡器的反向放 大器输入、输出端。这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。 大连理工大学硕士学位论文 , c 7 一 三占t 期- a 1 2 a i g n d 图3 2 外部的晶体振荡器连接图 f i g 3 2 c o r m e c t i o ng r a p ho f e x t e r n a lc r y s t a lo s c i l l a t o r 该振荡器是一个低功率振荡器，x t a l 2 输出电压的摆幅比平常的要低。它提供了 最低的功耗，但不能驱动其它的时钟输入。 电容c 1 、c 2 的值总是相等的。具体电容值的选择取决于使用的是石英晶体还是陶 瓷振荡器，以及总的杂散电容与环境电磁噪声等。本文选用的是石英晶体。表3 2 给出 了采用石英晶体时的电容选择范围。如使用陶瓷振荡器时，电容值应采用生产商给出的 值。 表3 2 低功率晶体振荡器工作模式 t a b 3 2 w o r k i n gm o d eo f l o wp o w e rc r y s t a lo s c i l l a t o r 频率范围( m n z )c k s e l 3 1 使用晶体时电容c 1 和c 2 的推荐范围 ( p f ) 0 4 - 0 9 1 0 0 0 9 - 3 01 0 11 2 - 2 2 3 0 - 8 01 l o 1 2 - 2 2 8 o 1 6 ol l l1 2 - 2 2 3 2 21 8 p 下载接口设计 基于开关磁阻电机的电动车控制器设计 图3 3i s p 下载接口电路 f 皓3 3