基于开关磁阻电机的电动车控制器设计_图文

1、大连理工大学硕士学位论文基于开关磁阻电机的电动车控制器设计姓名：熊慧文申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：孙建忠20070618大连理工大学硕士学位论文摘要近年来，随着人们生活的改善，机动车辆得到迅速发展，其排放的尾气己造成城市空气严重污染，一些城市相继制定法规限制摩托车和燃油助力车的使用来保护环境。于是发展绿色交通工具已成为一个重要的课题。电动车具有轻便、无污染、低噪音和价格低廉的特点，成为比较理想的交通工具。开关磁阻电机的结构简单、控制灵活、可靠性高、能在较宽的速度范围内高效运行、而且坚固耐用，适合于在恶劣条件下应用等特点决定了其非常适合于车辆负载。本文主要研究四相极开关磁阻电机传

2、动系统在两轮电动车中的应用，设计了以单片机为主控芯片的电动车控制器。首先，根据开关磁阻电机的结构和工作原理，建立了电机的数学模型，分析并确定了开关磁阻电机的位置信号检测方法，制定了该系统使用的控制策略：采用转速外环、电流内环的双闭环控制，通过单片机片内定时器计时器输出的斩波调压间接地调节电流以控制电机的转速。其次，以单片机为核心，设计了开关磁阻电机控制系统的各硬件电路，主要有电源转换电路和电压采样电路、系统功率电路及驱动电路、位置信号检测电路和电流检测与保护电路。再次，在硬件电路的基础上设计了系统的控制软件，并对电动车的刹车、过流保护、欠压保护和定速巡航等功能加以改善和提高。最后对所开发的系统

3、进行了调试，通过实验得到的速度电流波形证实了该控制器的可行性。关键词：开关磁阻电机传动系统；电动车；控制器；单片机基于开关磁阻电机的电动车控制器设计，撕，（），（），：，：；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

4、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。作者签名詹寥丝且年上月监日导师签名：大连理工大学硕士学位论文绪论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

5、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，

6、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

7、人口居各大洲首位的亚洲，具有广阔的发展前景。从年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到年，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【。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亿辆，每年有亿辆新自行车进入市场。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等小型电动车辆。基于开关磁阻电机的电动车控制器设计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

8、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（，简称或电动机）。由这四类电动机所组成的驱动系统，其总体比较如表所示。赢咫表电动车电气驱动系统使用的电动机比较表直流电动、比较内容电动机感应电动机永磁无刷电动机机差差差差差控制方式大小、质量高速运转能力维修性效率一般优（笼形转子）优优一般一般优优一般一般优一般优多优（高效）优一般优优优一般一股较多较优控制尺寸、质量优一般少差装置控制性功率元件数优多般（坚固）综合评价

9、通过表可见，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（，简称）相对于永磁无刷电动机驱动系统有以下几点优势：（）电机起动电流。只有额定电流的，而起动转矩达到额定转矩的倍时。而永磁无刷电动机的起动电流。很大。电动车是依靠蓄电池供电的，所以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，且适用于频繁起停，因此非常适用于电动车。（）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电机。（）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

10、每相只要一个功率开关，四相极电机的功率电路只需要个功率开关管，而三相无刷电机需要个功率开关管。另外，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，系统本身还具有很多独特的优点：（）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，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。（）系统可靠性高从开

11、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。因此系统具有极高的可靠性，可以应用于宇航等特殊场合。（）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

12、同负载下实现高效优化控制。（）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。开通角如关断角以矿：相电流幅值：相绕组电压。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，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

13、，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。当然系统也存在一些缺点，主要表现在：第一、的磁路是非线性的，给提高控制性能带来了困难；第二、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、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的系统，虽然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

14、控制不灵活，且无法做到智能保护。公司推出的单片机，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（）追求指令完备的做法；采用精简指令集），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】。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。系列单片机是基于、低功耗的位单片机，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，具备高档单片机系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装（为和），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。的特性如下：因为采用了先进的精简指令集结构，所以具有足够快的运行速度，可达恤：个通道，可实现任

15、意小于位、相位和频率可调的脉宽调制输出：有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；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个可编程口，可任意定义的输输出方向；驱动能力强，可直接驱动等大电流负载，且多数的口为复用口，除了作为通用数字使用外，其第二功能可作为芯片内部其他外围电路的接口；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；带转换，可直接输入模拟量、输出数字量；有看门狗电路，一旦程序进入死循环能自动复

16、位，保证系统工作的可靠性；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，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。本文所做的工作本论文主要研究的是以单片机为主控芯片的，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：电动：电动车调速转把可在范围内调速；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：定速：当手柄在某一位置停留时间到达或以上时，电动车进入定速行驶欠压保护：当蓄电池电压低于时，强制制动电机，单片机停止、和引脚电平变化中断，只保留，当蓄电池电压恢复到以上再

17、重新开始正常工作；过流保护：当系统功率电路中的电流超过额定电流时，停止，关断；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：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；确定系统的位置信号检测方案；结合系统的具体控制策略【。，设计了控制器的硬件系统；结合单片机的特性和电动车的具体要求，编写了控制器的软件；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系统结构及运行原理电动机的基本结构及工作原理电动机的基本结构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

18、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”恻，如图所示即为四相极电动机，有、四相绕组。图四褶辍电动机一对于相电动机，如定予齿极数为，转子齿极数为，则转子极距角（简称为转子极距）为万一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（）熹转子旋转一周转过。（或孙弧度），故每转步数为（，），薏一，（）与每相绕组的通电频率厶之间的关系为（）由于转子旋转一周，定子相绕组需要轮流通电坼次，因此，电动机的转速大连理工大学硕士学位论文甩手（）而功率变换

19、器的开关频率正为正听叫盖（）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电动机，特别是四相极结构电机其极数、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级。电动机的工作原理电动机的运行遵循“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

20、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。下面以四相极电动机为例，如图所示，说明电动机的工作原理鲫。图开关磁阻电机运行原理图当相绕组单独供电时，在电动机内就会建立以，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缶近的转子极与定子极轴线，重合，从而使转子转动，并使相励磁绕组的电感最大。若在上述二者重合时改为相绕组通电，则磁场产生的磁拉力使转子极与定子极轴线，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，如果依次给一卜通电，转子就

21、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：电动机的转动方向总是逆着磁场轴线的移动方向，改变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

22、动的方向。电动机数学模型的建立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，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，我们作如下假设不计磁路的饱和影响，绕组的电感与电流大小无关；忽略磁通的边缘效应；忽

23、略所有的功率损耗；功率管的开关动作是瞬时完成的；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（。，）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。“工啪占定

24、子；：入一卜转子图定、转子相对位置与相绕组电感曲线图中，皖为不对齐位置；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电动机模型中相绕组电感与转子位置角的关系：【厶。一足够一只）口岛即）叫以卜删只以式中珂。工。）（易一晚户。一。妯），风；厉定子磁极极弧。电动机一相绕组的主电路如图所示，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等（）式中，“”号对应于绕组

25、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蝣图，电动机一相绕组主电路￥根据“忽略所有功率损耗”的假设，则上式可以简化为士：业：业也丝塑击西西口击：三堕丝出日在转速、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，）的表达式是一个分段解析式，分段求解结果如下：（）在岛良晓区域内，吐嘶，式前取“”，将初始条件（代入。解得告警（）在，区域内，三屯。凰），酪前取“”，得妒）面诵）酶前取虬”，得（）（）在岔瘀护岛区域内，主开关关断，绕组进入续流阶段。此时，三吒“。敞口），妒，瓮笺踹。【厶（口一岛）】、（）在绣曰巩区域内，工气。，玩前取“一，

26、同理可得大连理工大学硕士学位论文咿）竖芝幽（）（）在巩茎口受盼如口区域内，（巩），酶前取“一，同理可得柳髭瑞，嚣（）而（）笔在各阶段为常数。推得互等（）由此可见，当相电压恒定时，正与成反比，即电机呈串励的机械特性。当恒定时，电机转速与相电压成正比。因此我们可以通过调节相电压，以实现对系统的调速控制。根据以上原理，电压斩波咖控制方式采用的方法是：固定开、关角，在原来主开关相控触发信号上加嘲调制，通过调节电压的咖的占空比来调节施加在相绕组上的两端电压以达到调速的目的。系统的组成系统是世纪年代中期发展起来的一种新型机电一体化交流调速系统，它主要由四部分组成：开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和检测器

27、，如图所示：图系统组成基于开关磁阻电机的电动车控制器设计功率变换器是系统能量传输的关键部分，是影响系统性能价格比的主要因素，起控制绕组开通与关断的作用。由于电动机绕组电流是单向的，使得功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，可以避免直通短路危险。系统的功率变换器主电路结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。控制单元是系统的核心部分，其作用是综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的通断，实现对电动机运行状态的控制。检测单元由位置检测和电流检测环节组成，提供转子的位置信息以决定各相绕组的开通与关断，提供电流

28、信息来完成电流斩波控制或采取相应的保护措施以防止过电流。电动机是系统中实现机电能量转换的部件，其结构和工作原理已在第二章中介绍过，这里不再累述。系统的控制原理机械特性图电动机的基本机械特性如图，所示，电动机的运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区。在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，需要对电流进行斩波限幅，可采用电流斩波（）方式，也可采用电压控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取锝恒功率特性，穆为角度位置控制（）方式：在串励特性区，电源电压、开通角和关断角均固定。转速，为各特性交接的临界转速，其中，是电机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为电机的额

29、定转速，亦称为第一临大连理工大学硕士学位论支界转速，对应功率即为额定功率；是能得到额定功率的最高转速，当转速再增加时，输出功率将下降，亦称为第二临界转速。当外施电压给定、开通角织。和关断角定时，电动机的转矩功率与转速的关系类似于直流电动机的串励特性。但是，实际上在转速较低时，电流和转矩都有极限值，其基本机械特性如图所示。对于给定的电动机，在最高外施电压和允许的最大磁链和电流条件下，存在一个临界转速，它是电动机保持最大转矩时能达到的最高转速，称为基速或第一临界转速（图中用角速度表示）。当然，此时电动机的功率也是最大的。电动机的电流与转速成反比，在低速运行时，为了限制绕组电流不超过允许值，可以调节

30、外施电压硌、开通角锄和关断角三个控制量。为了在基速以下获得恒转矩特性，则可固定开通角谚，和关断角锄通过斩波控制外施电压。我们把这种控制方式叫做电流斩波控制（，简称）。当电动机的运行速度高于基速时，若保持外旌电压硌、开通角和关断角日玎都不变，随着增加，将随的平方下降。为了得到恒功率特性，必须采用可控条件。但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加（一般岛，岛，岛在岛，且继而佗）。因此，在外施电压达到最大和开、关角最佳的条件下，能得到最大功率的最高转速，也就是恒功率特性的速度上限，被称为第二临界转速（图中用第二临界角速度表示）。在基速以上、第二临界转速以下，可以保持外施电压

31、不变，通过调节开通角，和关断角获得恒功率特性。这种控制方式称为角度位置控制（，简称）。当转速再增加时，由于可控条件都己达到极限，转矩不再随转速的一次方下降，电动机又呈串励特性运行。运行时存在两个临界点是电动机的一个重要特点。显然，控制变量（孤、鼠、岛方的不同组合，将使两个临界点在速度轴上的分布不同，并且采用不同的控制方法，便能得到满足不同需要的机械特性。这就是电动机具有良好调速性能的原因之一。主要控制方式控制方式的研究是系统研究的关键问题【。如系统的控制方式是指电动机运行时控制哪些参数及如何控制，使电动机按规定的工况运行，并保持较高的性能指标。开关磁阻电机主要的几种控制方式【】：（）控制基于开

32、关磁阻电机的电动车控制器设计控制开通角。和关断角妒在。至口砬间，对绕组施加正向电压，建立和维持电流。在以口之后一段时间内，对绕组旋加反向电压，使电流续流快速下降，直至消失。（）电流斩波控制（控制）在萨劈。时，功率电路开关元件接通（称相导通），绕组电流从零开始上升，当电流达到峰值（斩波电流上限值）时，切断绕组电流（称斩波关断），绕组承受反压，电流快速下降。经时间，或电流降至规定值（斩波电流下限值）时，重新导通（称斩波导（）斩波调压控制通过斩波调压间接地调节电流。调节波的占空比可以调节直流侧电源电压，也可以调节各相绕组的电压。它实际上是通过方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，既能

33、用于高速运行，又适合于低速运行。其它特点则与电流斩波控制方式相反，适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。为了保证电动机的可靠运行，一般在低速（基速以下）时，采用控制（又叫电流控制）；在高速情况下，采用控制（也叫单脉冲控制）。起动控制单相电动机只能在转子处于某一位置时自起动，并只能在有限的转角范围内（）产生正转矩，其性能在两个方向是一致的。两相电动机可以从任意转子位置起动，但只能单方向运行。三相及三相以上电动机可以在任意转子位置正、反转起动，而且不需要其他辅助设备。电动机的起动有一相绕组通电起动和两相绕组通电起动两种方式，本节以四相，极电动机为例定性分析电动机

34、的起动运行特点。在起动时给电动机的一相绕组通以恒定电流，随着转予位置的不同电动机产生的电磁转矩大小也不同，甚至转矩的方向也会改变，我们把电动机在每相绕组通以一定电流时产生的电磁转矩咒与转子位置角伊之间的关系称为矩角特性，图为四相电动机的典型矩角特性曲线。从图中可以看出，如果各相绕组选择适当的导通区间，单相起动方式下总起动转矩为各相矩角特性上的包络线，而相邻两相矩角特性的交点则为最小起动转矩（蛐。如果负载转矩大于电动机的最小起动转矩，电动机存在起动死区。通），重复上述过程，则形成斩波电流波形，直至乒嗣彬时实行相关断，电流衰减至零。大连理工大学硕士学位论文图四相电动机的矩角特性，为了增大电动机的起

35、动转矩、消除起动死区，可以采用两楣起动方式，即在起动过程中的任一时刻均有两相绕组通以相同的起动电流，起动转矩由两相绕组的电流共同产生。如果忽略两相绕组间的磁耦合影响，则总起动转矩为两相矩角特性之和。两相起动时合成转矩和各相导通规律如图所示。又梵牧火吨导通相睦制：图两相起动时合成转矩波形从图可知，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

36、开关磁阻电机的电动车控制器设计系统的位置信号检测系统的反馈信号主要有电流、位置和速度三种信号。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。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，电流检测在系统中是必不可少的。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

37、敏式以及接近开关等含机械的位置检测方案。为了提高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。一巨骛臣蛰，。一图光电位置检测器电路原理图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，其电路原理图如图所示。系统通常使用槽型光电开关，槽型光电开关通常是型结构，其发射器（发光极管）和接收器（光敏三极管）分别位于型槽的两侧，并形成一个光轴，当物体经过型槽且阻断光轴时，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

38、元件导通和关断，产生包含转子位置信息的脉冲信号。对于相电动机，光电耦合开关可以有个或个为偶数），相邻两个光电耦合开关之间的夹角由下式决定；厂、厂、口惫一二，或厶日一二，（丘，）（）大连理工大学硕士学位论文！吾一广门一；足芝，卯。图位置传感器图基本位置信号例如，对于四相极电动机而言，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、或，其安装位置也有多种选择。图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，再顺时针转过安装

39、另一个光电开关，遮光盘的齿槽等分为。电路通电后，可输出两路周期为、间隔为的脉冲序列，如图所示，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。图位置传感器实际电路为了消除干扰，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。图为一种位置传感器电路引。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。本章小结本章主要介绍了电动机的基本结构，建立了其数学模型，结合电动机的工作

40、原理研究了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控制器的硬件电路设计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单片机为主控芯片，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。如图所示，控制系统主要由以下几个部分组成：核心微处理器，主要功能是输出，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；电源电路，将电源转换为的工作电压和的工作电压：系

41、统功率电路及的驱动电路，驱动电路由实现；转子位置信号处理，检测转子位置，送至单片机的中断引脚；转速给定部分，由电动车的手柄将转速的给定信号送到单片机的口；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单片机；图控制系统框图基于开关磁阻电机的电动车控制器设计的外围电路设计是单片机增强型结构的低功耗位微控制器，属于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，增加了引脚电平变换的功能，并且在软件上能有效支持语言及汇编语言。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，的数据吞吐率高达删，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾嘲。系统时钟的选择具有专门的时钟，芯片有如下几种通过熔丝位选择的时钟源，如表所示。时钟输入到单片机的时钟发生器，再分配到相应的模块。表时钟源选择器件时钟选项低功率晶振满振幅晶振低频晶振内部振荡器熔丝位一标准的内部振荡器外部时钟保留注：）对于所有的熔丝位。“”表示未编程，。”代表已编程。已经置振荡线路，可以产生、的振荡频率。不过，内置的毕竟是振荡，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。图是晶体振荡器连接图。与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