基于51单片机的开关磁阻电动机控制系统设计综述

1、学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 负责教师 开关磁阻电动机的控制系统设计 自动化学院 测控技术与仪器 94070101 200704071069 曹志发 张晓东 沈阳航空航天大学 2013年6月 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 摘要 开关磁阻电动机驱动系统（简称SRD）是随着电力电子、计算机、微电子的迅 速发展而出现的一种新型机电一体化无级调速系统，它将开关磁阻电动机、电力电子 技术、控制技术融合为一体不仅保持了交流异步电机的结构简单、坚固可靠和直流 电动机可控性好的优点而且还具有交流调速系统和直流调速系统所无法比拟的显著 特点。论文以三相12/8极7.5KW SRM为研究对

2、象，完成了以单片机为核心组成的调 速系统设计方案，系统釆用PWM控制方式，选用不对称半桥式功率驱动器主电路， 主开关器件选用IGBT,设计了以单片机STC89C52为核心的控制器，主要对电流检 测、位置检测、故障保护和显示电路等外围电路进行了设计，具有过流保护功能。同 时本设计釆用了模块化的编程方法，增强了程序的可读性和易操作性。基于开关磁阻 电动机的准线性动态模型，利用MATLAB/SIMULINK，对开关磁阻电动机进行仿真。 为此系统的进一步改进打下了基础。仿真结果达到了预期的SRD控制效果。本文用 该设计进行了开关磁阻电机控制的模拟试验，达到了初步的实验效果，在软硬件两方 面为以后开关磁

3、阻电机控制系统这一课题的研究进行了有益的探索和实践。 关键词：开关磁阻电机；单片机；功率驱动器；调速系统 开关磁阻电动机的控制系统设计 II 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） Design of control system of switched reluctance motor Abstract Switched reluctance motor drive system (Short title SRD) is variable speed system with the development of microelectronics power electronics, compute

4、rs, the rapid. It switched reluctance motor, power electronics, control teclmologv fox the integrated not only mauitam the stmctm e of AC induction motor is simple, nigged, reliable and controllable DC motor has a good advantage but also speed AC diive system and DC system Can not match the sigmfica

5、nt features. Thesis based on tluee-phase 12/8 poles 7.5KW SRM as the research object, completed a miciocontiollei- as the core component of the control system design The system uses the PWM contiol mode, use Asymmetrical lialfbndge power converter main circuit power supply, the main switchmg devices

6、 used IGBT. MCU STC89C52 as the core of the contiollef. Mainly on the current detection, position detection, fault protection and other peripheral ciicuits and display circuits were designed, with the flow, over-voltage protection fiinction. The design also uses the modular piogianuning method to ei

7、iliance the readability and ease of maneuverability. According to the SRM quasi-lmear dynamic model, based on MATLAB/SIMULINK, a dynamic simulation model of SRM is developed. The simulation results really lepoil work status of SRM Finally the paper canies on a pfelinunaiy expenment of controllmg swi

8、tched reluctance motor with this design, obtains some experimental data and acluevements, and provides a usefill exploration and practice in the subject of SRD m both software and liaidware aspects- Keywords: switched leluctance motor; SCM; power convener; control system III 开关磁阻电动机的控制系统设计 5 第J相的端电压

9、 V J 系统转动惯量 N*m - 第J相电流 A Tl 负载转矩 N*m 第J相的磁链 B 灯 霍尔系数 Q 角速度 rad/s 电流与磁力线的夹角 rad Is 霍尔LEM模块副边电流 A 霍尔LEM模块原边电流 A Kq摩擦系数 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 目录 1开关磁阻电动机概述1 1.1开关磁阻电动机的发展状况1 1.2开关磁阻电动机的组成2 1.3开关磁阻电动机的性能特点4 1.4开关磁阻电动机的应用场合5 2开关磁阻电动机的原理与控制7 2.1开关磁阻电动机的结构原理7 2.2开关磁阻电动机的基本方程9 2.3开关磁阻电动机的调速控制方式11 2.3.1电流斩波控制（CC

10、C）方式12 2.3.2角度位置控制（APC）方式12 2.3.3脉宽调制控制（PWM）方式13 2.4开关磁阻电动机的启动与制动14 2.5开关磁阻电动机的转矩脉动与噪声分析14 3系统总体设计16 4信号釆集系统设计17 4.1位置信号釆集系统设计17 4.2电流信号釆集系统设计18 4.3调速信号釆集系统设计21 4. 4保护电路设计21 5驱动系统设计22 5.1驱动电路设计22 5.2开关器件的选择24 6主控系统设计25 6. 1单片机系统25 6.2信号逻辑处理电路25 6.3速度显示电路设计26 开关磁阻电动机的控制系统设计 7软件设计28 7.1主程序设计28 7.2启动程序

11、设计29 7.3运行模块流程图30 7.4测速和换相程序设计31 7.5PI调速模块设计33 7.6速度显示模块设计34 7.7中断程序设计34 8 SIMLLINK 原理仿真35 8. 1电机模块35 8.2功率驱动模块35 8.3位置检测模块36 8.4 PI调速模块36 8.5系统仿真及结论37 9软硬件联调结果39 9.1调试过程出现的问题及解决方法39 9.2调试结果及进一步改进的方向40 参考文献41 致谢42 附录I电路图43 附录II程序清单44 VI 沈阳航空航天大学毕业设计(论文) 1开关磁阻电动机概述 作为新一代的调速电机，开关磁阻电机调速系统(Switched Relu

12、ctance Drive简称 SRD)是从20世纪80年代中期逐步发展起來的，开关磁阻电机具有结构简单、坚固 等优点，由于其构成的SRD性能优良，所以较其他调速系统更有竞争潜力。SR电机 的结构比笼型异步电动机简单，但SR电机的控制要求根据负载和运行条件的不同， 在不同的转子相对位置下通断各相绕组的主开关器件，这样既提高了电机控制的灵活 性，也增加了电机运行控制的复杂性，显然，如果不釆用软件与硬件相结合的数字控 制系统对SR电机进行控制，SRD性能的提高必然受到一定的限制，同时控制器的硬 件电路亦将过于复杂和庞大。因此，为了简化控制电路，充分利用SR电机控制方 式灵活多变的优点，完善系统的功能

13、，有必要使用数字控制系统对SR电机进行控制。 一方面，采用直接数字控制简化了硬件电路，提高了系统的可靠性，另一方面，直接 数字控制符合SRD系统的特点，现代计算机技术和微电子技术的发展为直接数字控 制提供了强大的物质和技术支持，目前开关磁阻电动机己开始广泛应用于工，航空业 和家用电器等各个领域，随着对开关磁阻电动机认识的深入，其应用必将更为普遍。 1.1开关磁阻电动机的发展状况 现代SR电动机的发展始于20世纪60年代，电子工业的发展为电气传动领域提 供了强有力的功率电子器件和可靠、低廉、多功能的控制器件。60年代末，J.Jauet 提出了增加饱和度有利于提高磁阻电动机出力的观点，才使得SR电

14、机得到迅速的发 展。但在相当长的一段时期内，对磁阻电机的研究基本处于对其运行原理和性能特性 的探索和论证。 国外，70年代初，美国FORDMOTOR公司研制出了最早的开关磁阻电动机调速 系统(Switched Reluctance Drive)o其机构为轴向气隙电动机。晶闸管功率电路，具有 电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适合于作蓄电池供电的电动车 辆传动o 1981年，英国TASC公h(TASC Drives Ltd.)获准制造该系统，于1983年推 出开关磁阻电机驱动系统(Switched Reluctance motor Drive System,简称SRD系统) 的系列

15、产品，取名为OULTON,调速范围为303000/mun,容量范围为422kW。 该产品的出现在电气传动界引起了不小的反响。因为它在很多性能指标上达到了出人 意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一 开关磁阻电动机的控制系统设计 些变速传动系统。1985年研制成200kW的样机，最大转速为lOOOOi/min,美国开发 了用于航空航天方面的SRD系统，转速可达25000r/mmo 国内，从1984年开始许多单位先后开展了 SR电机的研究工作，如北京纺织机 电研究所、南京航空航天大学、东南大学、福州大学、华中理工大学、华南理工大学、 河海大学、合肥工业大学、哈尔

16、滨电工学院等，且开关磁阻电机调速系统的研究被列 为中小型电机“七五科研规划项目”。 1985年华中理工大学研制以SCR为功率开关器件的7.5 kW的SRD系统；1987 年，北京纺织机械研究所与南京调速电机厂合作开发了 3kW的8/6极、以BJT为功 率开关器件和以单片机8751为核心芯片的控制器的SRD系统产品；1993年，30kW 级别的SR电机在山东淄博电机二厂通过鉴定；2000年，国内10kW以上的SR电机 己应用于煤矿的釆煤机，并开始进行180kvv的SR电机在地铁机车上的应用研制。 近20年來，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱 动系统，研究的历史较短，其

17、技术涉及到电机、微电子、电力电子、微机、控制、机 械及工程应用等众多学科领域的新技术，变频调速感应电机、无换向器直流电机等经 历了几个年代的开发推广，目前己领先一步，有着极其广阔的市场前景。 1.2开关磁阻电动机的组成 开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动机、功率驱动器、控制器和检测器 四部分组成如图l-lo 图开关磁阻电动机调速系统框图 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 从产品结构來看，系统通常由SR电机和驱动器两部分组成，其电动机部分包含 位置传感器，驱动器部分包含功率驱动器和控制电路等。 1. 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机（简称SRM）是SRD中实现机电能量转换的部件也是SRD有

18、别于其他电动机驱动系统的主要标志它遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的 原理由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩釆用双凸极结构就是要使转子旋转 时磁路的磁阻要尽可能大地变化。 2. 功率驱动器 功率驱动器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕 组的开关部件。因此功率驱动器包括由整流器所产生的直流电源和开关元件等。功率 驱动器有三个作用：起开关作用，使绕组与电源接通或断开；为绕组的储能提供回馈 路径；为SRM提供电能量，以满足所需机械能的转换。SRD的分类主要取决于功率 驱动器。 3. 控制器 控制器是整个调速系统的核心，起决策和指挥作用。根据控制器中设定好的控制 策略

19、及其相应的算法，将外部反馈的电流、位置等检测输入量与内部程序中计算得出 的给定量进行比较判断，决定电机的控制方式，并在合理的转子位置控制功率驱动器 中各相主开关器件的开关状态，实现机电能量合理、有效的转化。控制器由具有较强 的信息处理功能的微机构成。微机信息处理功能大部分是由软件完成，因此，软件也 是控制器的一个重要组成部分。 4. 位置检测器 开关磁阻电动机调速系统是位置闭环调速系统，开关磁阻电机各相绕组必须与转 子位置同步激励，并且转子位置测量的精度和分辨率直接影响到调速性能的好坏。位 置检测的目的是确定定子与转子的相对位置，即要用位置传感器检测定转子相对位 置，然后位置信号反馈至逻辑控制

20、电路，以确定对应相绕组的通断。 5. 电流检测器 相电流检测是开关磁阻电机电流斩波控制方式（CCC方式）运行的需要，也是 系统过流保护的需要。单向、脉动以及波形随运行方式、运行条件不同而变化很大是 开关磁阻电机相电流的基本特点。因此开关磁阻电机的电流检测器应具有快速性好， 开关磁阻电动机的控制系统设计 灵敏度高，单向电流检测，线性度好，抗干扰的优点。 13开关磁阻电动机的性能特点 SRD系统具有十分突出的性能优点： 1结构简单固定、成本低、适用于高速场合 SR电机的结构英至比通常被认为是最简单的鼠笼式感应电机还要简单。其显著 的优点是转子上没有任何形式的绕组，只有定子边有集中绕组，因此制造简单

21、，维护 起來方便，绝缘容易。同时其转子机械强度很高，可用于超高速运转(1000017mm)o 一般来说，中小SRD,其成本可以低于同功率和类似性能的其他现代调速系统。 2. 各相独立工作，有很高的运行可靠性 SR电机的运转不同于传统的电机运转机理。从电磁结构上看，一般电机要正常 运转就必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆旋转磁场。而SR电机各相绕组 和磁路相互独立，各自在一定转角范围内产生电磁转矩。从控制结构上看，SR电机 各相电路各自给一相绕组供电，也是相互独立工作，由此可知，当SR电机一相绕组 或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相的工作，在控制方面并不需要对其他相 做任何变动。因此

22、本系统可以构成可靠性很高的系统。 3. 转矩方向与相电流极性无关，只与通电顺序有关。从而可使每相绕组只需一个 主开关，降低功率驱动器成本。 4. 功率驱动器不会发生直通短路故障，可靠性高。 传统的PWM变频器功率电路中每桥臂两个功率开关直接跨在直流电源侧，容易 发生直通短路烧毁功率元件。而SR电机调速系统中每个功率开关元件均直接与电机 绕组相联，根本上避免了直通短路现象。 5. 高起动转矩，低起动电流。 控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是SRD的一大 特点。一般典型产品的数据是:起动电流为10%额定电流时，获得的起动转矩为100% 额定转矩；起动电流为额定值的30%时，

23、起动转矩可达到其额定值的150%。对比其 它调速系统的起动特性，本系统十分适合那些需要重载起动和较长时间低速重载运行 的机械，如电动车辆等。 6. 可控参数多，调速范围宽。 沈阳航空航天大学毕业设计(论文) 由于SR电机控制参数多，所以控制器的控制方式也有多种，并不是仅仅依靠控 制开关管的开通，关断顺序來进行控制。目前，SR电机转速的控制模式主要有以下 几种： (1) 角度位置控制APC方式。电压保持不变，通过改变开通角和关断角两个控制 参数來调节电机转速。关键在于将角度量转化为相应速度时的时间可控量。适合于电 机较高速运行区。 (2) 电流斩波控制。电压不变，电机低速运行时，反电势较小，电流

24、变化率大， 为避免电流上升过快，超过允许的最大电流，可釆取斩波方式來限制电流。一般用于 电机低速区。 (3) 电压斩波控制方式。开关角固定不变，绕组不同的外施电压对应不同的转矩 转速曲线，因此可以通过调节加在绕组上的电压來控制电机转速。 7. 效率高，损耗小。 SR电机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器开关器件少，相应的损耗也 小。其次，可控参数多，控制灵活，易于在很宽的转速范围内实现高效优化控制。 1.4开关磁阻电动机的应用场合 由其性能特点，开关磁阻电动机可以在许多场合得到应用： 1. 在有特殊要求的场所中的应用 在要求快速正反转的一些工业应用中，如纺织印染业，要求电动机反应速度要快,

25、 其反应时间不得大于0.3秒，电动机要能长期地、连续地、频繁地处于正、反转交替 变换的工作状态，电动机要有能在较宽广的范围内无级调速的性能，电动机能长期 地在湿、热的环境中工作。这时候，使用开关磁阻电机能收到意想不到的良好效果。 还有在要求转速高度稳定的一些工业应用中，如化纤行业，开关磁阻调速电动机具有 良好的同步性能，而且不存在电刷磨损(如直流电动机)或恒磁体退化(如永磁同 步电动机)的问题，可长期可靠工作。 2. 在龙门刨床主传动系统中的应用 开关磁阻调速电动机良好的调速性能、宽广的调速范围、比较小的起动电流获得 较大的起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出优点，对于满足龙门刨主传动

26、的高技术要求提供了完全的可行性。 开关磁阻电动机的控制系统设计 3. 在数控机床主轴直驱系统中的应用 利用开关磁阻调速电动机恒转矩特性好、动态响应特性好的优点，将其应用于数 控机床主轴直驱系统，取得了成功。这为我国普及型小型数控机床的主轴驱动提供了 一种性价比很高的新动力。 4. 在家电行业中的应用 空调、冰箱、洗衣机等家电发展的总趋势是采用具有现代调速系统的电动机來取 代无调速的电动机。这里最具资格的当数无刷直流电动机调速系统和开关磁阻调速电 动机系统。而在性价比上开关磁阻调速电动机系统还占有一定的优势。 5. 在电动午、船驱动控制系统中的应用 开关磁阻调速电动机高效、节能、调速范围宽、启、

27、制动特性卓越，显然是电动 车驱动与控制系统的理想动力。国外己将SRD在电瓶车、铲车、无轨电车、电动轿 车、城市轻轨列车等方面进行广泛应用，其优势己经明显凸现出來，国内这方面的研 究开发也己取得了显著的成效。将开关磁阻调速电动机应用于水域的船只驱动上，可 以避免机油、汽油、柴油对水域的污染，还可以大大减少噪声污染，这同样是一个很 有前途的应用领域。 开关磁阻调速电动机还可以用在其他许多领域，这需要相关人士更多的努力。相 信开关磁阻调速电动机技术一旦普及和推广，一定会取得良好的经济效益和社会效 益。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 2开关磁阻电动机的原理与控制 2.1开关磁阻电动机的结构原理 S

28、R电机在结构上与步进电机相似，运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是 要沿着磁阻最小的路径闭合，当铁心与磁场的轴线不重合时，便会有作用力将铁心拉 到磁场的轴线上來。这个作用力就是磁阻电机运行的原动力一切向磁拉力。这是SR 电机与步进电机的相似之处，但是在以下两方面SR电机不同于步进电机。 第一，步进电机是一般位置开环控制，而SR电机是位置闭环控制。有位置闭环 控制就不会失步。 第二，一般步进电机是作为信息传输从而实现角位移精密传动，而SR电机是典 型的功率型电气传动装置。因此，SR电机要突出速度控制和实现系统高效率，故其 设计思路大不相同。 SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相以及多相等

29、不同的相数结构，相数 越多，则步进角越小，这样有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成 本高。通常转子的极数比定子极数少2个，少于三相的SR电机没有自起动能力，因 此，对于要求自起动、四象限运行的驱动场合，应优选表2-1所示的结构类型。目前 应用较多的是四相8/6级结构和三相12/8极机构。 电动机相数定转子极数与步进角之间关系如下表2-1所示。 表2-1 SR电机的结构类型 相数 3 4 5 6 7 8 9 定子极数 6 8 10 12 14 16 18 转子极数 4 6 8 10 12 14 16 步进角（度） 30 15 9 6 4.3 3.2 2.5 电机可以根据转矩的产生机

30、理粗略的分为两大类:一类是由电磁作用原理产生转 矩；另一类则是由磁阻变化原理产生转矩。 在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。这种相互作用产生 开关磁阻电动机的控制系统设计 使两个磁场趋于同向的电磁转矩。类似于两个磁铁的同极相斥、异极相吸的现象。目 前大部分电机都遵循这一原理，如一般的直流电机和交流电机（包括永磁类电机）。而 在第二类电机中，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。当定子绕组通电时， 产生一个单相磁场，其分布要遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径 闭合。因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并 产生转距使其趋向于磁阻最小

31、的位置，即两轴线重合位置。类似于磁铁吸引铁质物体 的现象。开关磁阻电机就属于这一类型的电机。下面就以常用的三相12/8极开关磁 阻电机为例进一步阐释其运行机理。如图2-1所示，具体工作过程如下： X51 图2T开关磁阻电机的典型结构原理图 图2-1画出了 A相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。结构上与步进电动 机相似的SR电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”一一磁通总要沿着磁阻最小的 路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线与 磁场的轴线重合。在图2-2示位置，当定子一极受到励磁时，电机内建立以定子对角 线为轴线的磁场，其磁通经过定子扼、定子极、气隙、转子

32、极、转子觇闭合。此时穿 过气隙的磁力线是弯曲的，磁阻大于定、转子轴线重合时的磁阻，因此转子将受到弯 曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，而沿逆时针方向转动。当转子极轴线与定子 极轴线重合时，此相励磁绕组的电感达到最大值，转子达到稳定平衡位置，切向磁力 消失，如果转子上无外部驱动转矩，则需要将下一相导通，以维持转距，如此逐相导 通，电机将连续转动作电动机运行。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 图2-2开关磁阻电机一相通电的磁场情况 由通电磁场情况得出开关磁阻电动机的正反转与定子极的通电顺有关，而与相绕 组的电流方向无关。 为了更加清楚地理解开关磁阻电机的基本原理，本文将开关磁阻电机与步进电机

33、和自整步同步电机作了比较，见表2-2。由此可见，开关磁阻电机是现代电力电子技 术、控制技术综合发展的产物。 表2-2开关磁阻电机与三种类似电动机比较 类比 相同点 不同点 第 组 开关磁阻电 机 均为双凸极结构，转子无 励磁。都各相的通电顺序 得到正反转 位置和速度的闭坏控制，不单是功 率型驱动电机 步进电机 开环控制会丢失步，角度精密传动 第 组 开关磁阻电 机 都采用转子位置闭坏控制 的自控变频器供电 转子无需励磁，定子绕组采用直流 脉冲供电 自整步电机 转子需励磁定子多组交流电励磁 2.2开关磁阻电动机的基本方程 SR电机的工作原理和结构都比较简单，但其双凸极的结构特点、磁路和电路的 非

34、线性、开关性，使得电机的各个物理量随转子位置作周期性变化，定子绕组电流和 磁通波形极不规则，传统电机的性能分析方法难以简单地用于SR电机计算，不过SR 电机内部的电磁过程仍然建立在电磁感应定律、全电流定律、能量守恒定率等基本的 电磁关系上，并可由此写出SR电机的基本平衡方程式。 1电动势平衡方程式 一台q相SR电机，假设各相结构和电磁参数对称，根据电路定律可以写出SR 开关磁阻电动机的控制系统设计 电机第J相的电动势平衡方程式: Uj dT 在SR电机中，各相绕组的磁链是转子位移角和各相绕组电流的函数，故磁链为: 进一步考察SR电机能量流，有 上式表明，输出功率的一部分转为磁场储能增量，另一部

35、分则为输出的机械功率, 可以说SR电机正是利用其不断的能量储存，转换而获得高效、大功率的性能。 2.转矩平衡方式 当电动机电磁转矩T与作用于电机轴上的负载转矩不相符时，转速就会发生变化 产生角加速度根据力学原理，可以写出这时的转矩平衡方程式 T = J + KnQ.+T, dt 由于电路、磁路的非线性和开关性，使得上述方程组很难计算，通常需要根据具 体运行状态和研究目的进行必要的简化，一般都釆用线性模型进行简化，线性模型有 利于对SR电机的定性分析了解其运行的物理状况、内部各物理量的基本特点和相互 关系。 在线性模型中作如下假设； (1) 忽略磁通边缘效应和磁路非线性，且磁通率，因此绕组电感L

36、是转子位置的 分段线性函数。 (2) 忽略所有功率损耗。 (3) 功率管开关动作瞬时完成。 (4) 电机恒速运转。 在上述假设条件下的电机模型为理想线性模型，绕组电感L与转子位移角0的 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0=0 10 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这时相电感为最小值，当 转子转过半个极距时，该相定、转子凸极中心完全对齐，电感为最大值，随着定、转 子磁极重叠的增加和减少，相电感则在和线性地上升和下降。 图2-3绕组电感L与转子位移角6的关系 23开关磁阻电动机的调速控制方式 开关磁阻电

37、动机是一种典型的机电一体化装置。双凸极磁阻电动机的正常运行离 不开可控的开关电路控制器。而每个控制器功能的实现都离不开合理的控制策略，本 节着重研究开关磁阻电机的控制原理，介绍各种调速控制方案。该系统的控制具有两 个层面:一是，电机控制层面，即通过调节电机自身的参数改变电机的运行特性，这 一层关系是直接的；二是，系统控制层面，这个层面是将控制策略应用于开关磁阻电 机及其外围的设备（控制器、信号检测装置等），并使之为达到某一控制目标协同运作, 这种控制是通过功率变换器间接作用在电机之上的。这个层面上的控制是种通用技 术，能够应用在其它电机上的控制理论基本上都可以应用在开关磁阻电机上，比如 最常见

38、的PI或PID调节、模糊控制等；而电机层面上的控制则是开关磁阻电机所特 有的，下文将对其具体控制策略加以总结和讨论。 SR电机的可控变量一般有施加于相绕组两端的电压U、相电流I、开通角和关 通角等。开关磁阻电机的控制简单的说就是对上述参数进行调节，根据上述控制参量 的不同，主要可分为以下三种控制方式角度位置控制（APC, 乂叫单脉冲控制）、电流 斩波控制（CCC, 乂叫电流PWM控制）、电压斩波控制（CVC, 乂叫电压PWM控制）。 11 开关磁阻电动机的控制系统设计 2.3.1电流斩波控制（CCC）方式 开关磁阻电机在基速以下运行时，由于转速较慢，旋转电动势较小，绕组电 流上升率较大，为避免

39、过大的电流和磁链峰值，获得恒转矩机械特性，采用电流 斩波控制（CCC）方式。电流斩波控制是通过固定开通角2”、关断角，通过主开 关器件的多次导通关断将电流限制在给定范围内实现电机恒转矩控制。CCC控制方 式下的相电流波形见图2-4。显然，当固定开通、关断角时，调节斩波就相当于调节 关断角，或者说是电流开通区间的长度。但是它们之间也有不同之处，APC方式下 电流的不可控相比，CCC方式是直接对电流实施控制，通过适当误差带的设置可以 获得较为精确的控制效果。因此，CCC方式同样具有简单直接，可控性好的特点， 也避免了 APC方式中的“敏感”问题，与后面的电压PWM方式相比，也具有较小 的开关损耗，

40、是比较常用的控制方式。只是这种控制下，电流的斩波频率不固定，它 随着电流误差变化而变化，不利于电磁噪声的消除。 g于位!t角40 图2-4 CCC控制方式下的相电流波形 864 1 mws 2.32角度位置控制（APC）方式 开关磁阻电动机运行在基速至第二临界转速区域，转速较高，旋转电动势较大, 绕组电流上升率低，电流较小，为获得恒功率机械特性，常采用角度位置控制方式。 角度位置控制方式是调节开通角、关断角九,改变相绕组相对于电感位置的励 磁区域，从而调节电机的转矩。角度位置控制的控制非常灵活，但与OOOOH ooo /ooor 565C3 2 ocoooooo OOOAOO )ggggggg

41、ggg朋撚蹶ooo s0OOQOO0OQQOQQQ22)og3o)o辽 ggsggggggsgsgs朋撚撚B ogggggs8ggggggsglf oooooooooooooooooooon- ;cooooooooooooooooooo- 30000000000000000000- 11 I 11 00000000000000000004 CC0O0OOOOOOOOOQOOoooo ；OOOOOOOOOOOQO 1 fbooo 600000000000 0ooe00000000000 cooooeo -roooooo ocoooeoo- cooccooo -CCO0OO- 0OQO 00e-

42、poooo- ooor Qz-ooo- cooor Jc oo- 00000:0 2 oocc COOOOOQOOOO 0000000060 0000000000( dooooooooo oooooooooo oooooooocx ooooooooo oooooooooeM Qoooooooons oooooooooo- 5COOCOOO Qooooo JO0OO 图9-1实物效果图 从确定元器件到焊接电路板，从中暴露出了许多问题，首先，在硬件的焊接过程 中有： (1) 多出引脚焊错的情况出现，后修正了错误。 (2) 在没有实物的开关磁阻电机的情况下，用有刷的直流电机代替。 (3) 电机固定不

43、老固导致电机带动的齿轮总是碰到位置传感器，导致电机无法正 常旋转，经更换木材质的底座后此问题得到解决。 (4) 正负电源有时会接反，加电源指示灯和二极管后得以解决。 再者，在编写程序的过程遇到的问题有： (1) 测速的方法一直有改动，最终确定为测时法测速。 (2) I/O 口线不够用，把AD换成串行输出的ADC0832,数码管动态显示改为 了串口输出的静态显示。 39 开关磁阻电动机的控制系统设计 （3）速度显示频闪严重，后延长速度更新的时间后得到缓解。出现速度显示不 准确的情况，原因是有PWM波生成中断和换相中断在处理时占用了时 间，使得到的测速时间值不准确了。后经程序修正是速度显示误差缩小

44、在 2转以内。 （4）PI算法程序一直无法正常运算负数，经参数定义修改后得以解决。 最后，在软硬件联调时出现： （1）速度显示不正常，经修改位置传感器信号连线得以解决。 （2）调速是速度变化小，原因是驱动的问题，改用L298N驱动后得到解决。 （3）换相信号缺相，原因一个位置传感器烧坏，更换并重新连线后得到解决。 9.2调试结果及进一步改进的方向 虽然显示的速度会频繁的跳动，但仍能反映速度的快慢。调速的结果不理想，调 速范围小。 进一步改进的方向有一下几点： （1）硬件上使用实物的开关磁阻电动机进行调试，防止出现位置传感器信号不 均匀的情况。 （2）使用计数法测速，以解决速度显示跳动的问题。

45、（3）换有集成AD和PWM 口的芯片以提高调速的精度问题。 （4）对驱动系统进行研究，从系统上进行性能优化。 （5）对抗干扰、保护、隔离和电源供电系统学习应用，以满足工程需要。 40 沈阳航空航天大学毕业设计(论文) 参考文献 11赵建领，弓雷.51单片机开发宝典M.北京：电子工业出版社,2012.2. 2 沈辉.SIMULINK系统仿真与控制M.北京：北京大学出版社,2003.1. 3 吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术M.北京：中国电力出版社 2010.7. 4 纪志成，薛花.基于MATLAB的开关磁阻电机控制系统仿真建模研究J.系 统仿真学报,2005,17(4): 10151021

46、 2001. 5 王忠建.开关磁阻电机振动的有限元分析与控制研究D.河海大学硕士学位 论文,2002.3. 6 杨炜栋.电动汽车用开关磁阻电机的控制器研究D.华南理工大学硕士论文. 2011. 7 何强.开关磁阻电机调速系统控制策略的研究D.华南理工大学硕士论文, 2011. 8 王宇.4KW开关磁阻电机驱动控制系统设计D.哈尔滨工业大学硕士论文, 2010. 9 顾晨字，白连平.开关磁阻电机制动控制系统的研究J.北京机械工业学院学 报,2007, 22(4): 44_47, 10 王勉华，梁媛媛等.直接转矩控制在开关磁阻电机中的应用与研究J.电气传 动自动化,2008. 30(2): 20-

47、23. 11 刘闯，刘迪吉，朱学忠，曹志亮.一种无位置传感器的开关磁阻发电机控制策 略的研究.中国电机工程学报,20026 12 蔡际令，金若君.基于DSP控制的开关磁阻电机可逆传动系统J.浙江大学 学报:工学版,2006, 40(6): 1019-1026. 13 张东，陈晃朱艺峰.DSP控制的开关磁阻电机伺服传动系统J.中小型电机, 2003, 30(1): 35-38. 14 宋桂英，孙鹤旭，郑易.开关磁阻电动机微步位置伺服控制J.微特电机, 2006, 34(5): 35-3 sbit AD0832_CS二P5; /片选信号 sbit AD0832_CLK二Pl 飞; /时钟接口 sb

48、it AD0832_DI二P7; 数据接口 sbit wr二P3 6; sbit PWM二P37; bit flag二0; int w, v; unsigned char j, k, t, y, m, u, p, n, SI, S2, Al, A2, A2t, A3, A4, SL, SH; unsigned int sudu, shi j, r, h, e, jian, qianz, adval; uchar code table 二OxCO, 0 xF9, 0 xA4, OxBO, 0 x99, 0 x92, 0 x82, /数码管编码 0-F 0 xF8, 0 x80, 0 x90, 0

49、 x8 uchar code mable = 0 xl0, 0 x11, 0 x12, 0 x12, 0 x14, 0 x11, 0 x14, 0 x10, 0 x10, 0 x10, 0 x10, 0 x10, 0 x10 ,0 x10, 0 x10; uchar code fable L = OxlO, 0 x14, 0 x11, 0 x14, 0 x11, 0 x12, 0 x12, 0 x10, 0 x10, 0 x10, 0 x10, 0 x10, 0 x10 44 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） ,0 x10,0 x10; void delay (uint i) /延时程序 fo

50、r(j=i;j0;j) for(k=110;k0;k); void shuchu (void) if(b2=0) t=P2 P0=mablet; PWM二1; else P0=0X10; PW=0; void TOISR(void) interrupt 1 using 1定时器 0 定开通角 uchar o=0; uint r; TR0=0; shuchu () ;/换相 if(sudu0;p-); shuchu (); EX1=1; void T1ISR (void) interrupt 3 using 1/定时器 1PWM 波周期 2ms /uchar n, z, x; PWM二0; TR

51、1=O; if(sudu500) TL0=(63535+20*v)%256; THO二(63535+20*v)/256; TRO二1; 46 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） else TLO=(65535-1000)%256; TH0=(65535-1000)/256; TR0=l; void Timer2_Server (void) interrupt 5 using 2/定时器 T2 TR1=O; TRO二0; if(TF2) TF2=0; shij二65535; sudu=0; flag=l; RCAP2L二0; RCAP2H=0; TH2=0; TL2=0; else EXF2=0;

52、 if (flag) flag=0; 47 开关磁阻电动机的控制系统设计 shij二65535; sudu=O; RCAP2L二0; RCAP2H二0; TH2二0; TL2二0; else SL二RCAP2L; SH二RCAP2H; RCAP2L二0; RCAP2H二0; TH2二0; TL2二0; shij二SH*256+SL;/计时法测得速度的时间值？ us PWM二0; TH0=(65536-shij/8)/256; TLO二(65536-shij/8)%256; TRO二1; uchar GetAD0832(bit Channel) uchar i=0 , Datal =0 , Data2 = 0