开关磁阻电动机驱动系统设计说明

1、 .PAGE54 / NUMPAGES58开关磁阻电动机驱动系统设计摘要开关磁阻电机作为上世纪80年代出现的一种新型机电一体化系统，具有非常优良的性能和广泛的应用发展前景。与传统的交、直流调速系统相比，开关磁阻电机既保留了感应电机的绝大部分优点，而且具有控制器简单、运行可靠性高、控制灵活方便和价格便宜等突出特点。而近来，随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，开关磁阻电机驱动系统也与时俱进，日趋先进，在电动车、航空工业、家用电器和机械传动领域都有成功的应用，成为电气传动领域的新势力。 本次论文主要对开关磁阻电动机的驱动系统进行设计，以80C196KC单片机作为控制核心，得出基于位置传感器检测和

2、电流检测的控制方案。论文的理论基础是开关磁阻电动机的理想线性数学模型，通过研究开关磁阻电动机的控制特性、可控角、关断角、相电流、绕组端电压与控制策略之间的关系，进行系统的硬件电路和系统控制软件的设计。论文通过对开关磁阻电动机驱动系统的每一个环节的设计，实现了电机的方便的正、反转控制和制动控制，并设计了比较完备的电流和电压保护环节，以保证系统的可靠运行。关键词:开关磁阻电机；开关磁阻电机驱动系统；控制系统；位置传感器；80C196KCABSTRACTSwitched reluctance motor as a new type of mechatronic systems appeared at

3、 the 80s of last century, with very good performance and wide application prospects.Comparing with the traditional AC and DC speed control systems, switched reluctance motor has retained most of the advantages of the induction motor, but also the controller is simple, reliable, flexible and inexpens

4、ive control and other prominent feature.And recently, with the the rapid development of power electronics technology and computer technology, switched reluctance motor drive systems becoming more advanced, Has been successfully applied to the electric car, the aviation industry, household appliances

5、 and mechanical drive system and become a new force in the field of electric drive. This paper focuses on the switched reluctance motor drive system which designed to Intel 80C196KC MCU As the core of control, location-based sensor and obtained current detection control program. The theoretical basi

6、s of this paper is ideal linear switched reluctance motor model, by studying the control characteristics of switched reluctance motor, controllable angle, turn-off angle, phase current, the winding terminal voltage and the relationship between the control strategy, then the systemof hardware and sys

7、tem control software design.This paper by designing every aspect of switched reluctance motor, implementation of the motor which is easy turn t and brake , and then design a more complete link current and voltage protection to ensure reliable operation of the system.KeyWords: Switched Reluctance Mot

8、or; SRD; Control system; Position sensor; 80C196KC目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295826419第1章绪论 PAGEREF _Toc295826419 h 1HYPERLINK l _Toc2958264201.1课题背景 PAGEREF _Toc295826420 h 1HYPERLINK l _Toc2958264211.2 SR电机与SR电机驱动系统概述 PAGEREF _Toc295826421 h 1HYPERLINK l _Toc2958264221.2.1SR电机的基本结构与工作原理 PA

9、GEREF _Toc295826422 h 1HYPERLINK l _Toc2958264231.2.2SR电动机的特点 PAGEREF _Toc295826423 h 2HYPERLINK l _Toc2958264241.3国外SR电机驱动系统的研究现状与发展趋势 PAGEREF _Toc295826424 h 2HYPERLINK l _Toc2958264251.3.1SR电动机的发展概况 PAGEREF _Toc295826425 h 2HYPERLINK l _Toc2958264261.3.2SRD系统概述 PAGEREF _Toc295826426 h 3HYPERLINK

10、l _Toc2958264271.3.3SR电机的未来研究方向 PAGEREF _Toc295826427 h 3HYPERLINK l _Toc2958264281.4课题研究的主要容与意义 PAGEREF _Toc295826428 h 4HYPERLINK l _Toc295826429第2章 SR电机的数学建模与控制策略分析 PAGEREF _Toc295826429 h 5HYPERLINK l _Toc2958264302.1引言 PAGEREF _Toc295826430 h 5HYPERLINK l _Toc2958264312.2 SR电机的基本方程 PAGEREF _Toc

11、295826431 h 5HYPERLINK l _Toc2958264322.1.1电压方程 PAGEREF _Toc295826432 h 5HYPERLINK l _Toc2958264332.2.2 磁链方程 PAGEREF _Toc295826433 h 5HYPERLINK l _Toc2958264342.2.3机械运动方程 PAGEREF _Toc295826434 h 6HYPERLINK l _Toc2958264352.2.4转矩公式 PAGEREF _Toc295826435 h 6HYPERLINK l _Toc2958264362.3SR电动机的理想线性模型分析 P

12、AGEREF _Toc295826436 h 6HYPERLINK l _Toc2958264372.3.1SR电动机的理想线性模型 PAGEREF _Toc295826437 h 6HYPERLINK l _Toc2958264382.3.2相绕组磁链方程 PAGEREF _Toc295826438 h 7HYPERLINK l _Toc2958264392.3.3相绕组的电流方程 PAGEREF _Toc295826439 h 8HYPERLINK l _Toc2958264402.3.4 电磁转矩 PAGEREF _Toc295826440 h 9HYPERLINK l _Toc2958

13、264412.4SR电机的控制策略 PAGEREF _Toc295826441 h 10HYPERLINK l _Toc2958264422.4.1SR电机的基本运行特性 PAGEREF _Toc295826442 h 10HYPERLINK l _Toc2958264432.4.2SR电动机的起动 PAGEREF _Toc295826443 h 11HYPERLINK l _Toc2958264442.4.3SR电动机运行控制 PAGEREF _Toc295826444 h 11HYPERLINK l _Toc295826445第3章 SRD系统的设计原理 PAGEREF _Toc29582

14、6445 h 12HYPERLINK l _Toc2958264463.1 SR电动机的换相原理 PAGEREF _Toc295826446 h 12HYPERLINK l _Toc2958264473.2 SRD控制系统原理 PAGEREF _Toc295826447 h 12HYPERLINK l _Toc2958264483.2.1 速度给定单元 PAGEREF _Toc295826448 h 12HYPERLINK l _Toc2958264493.2.2转子位置检测单元 PAGEREF _Toc295826449 h 13HYPERLINK l _Toc2958264503.2.3

15、数字速度PI调节器 PAGEREF _Toc295826450 h 15HYPERLINK l _Toc2958264513.2.4 电流检测环节 PAGEREF _Toc295826451 h 15HYPERLINK l _Toc2958264523.2.5 电流和电压斩波控制调节器 PAGEREF _Toc295826452 h 16HYPERLINK l _Toc2958264533.2.6综合逻辑控制单元 PAGEREF _Toc295826453 h 16HYPERLINK l _Toc2958264543.2.7功率变换器 PAGEREF _Toc295826454 h 16HYP

16、ERLINK l _Toc2958264553.3 80C196KC单片机简介 PAGEREF _Toc295826455 h 16HYPERLINK l _Toc295826456第4章 SRD系统硬件电路设计 PAGEREF _Toc295826456 h 18HYPERLINK l _Toc2958264574.1系统概述 PAGEREF _Toc295826457 h 18HYPERLINK l _Toc2958264584.2位置检测电路 PAGEREF _Toc295826458 h 19HYPERLINK l _Toc2958264594.3低速电流斩波器 PAGEREF _To

17、c295826459 h 19HYPERLINK l _Toc2958264604.4高速电压斩波电路 PAGEREF _Toc295826460 h 20HYPERLINK l _Toc2958264614.5故障检测电路 PAGEREF _Toc295826461 h 20HYPERLINK l _Toc2958264624.6逻辑综合电路 PAGEREF _Toc295826462 h 21HYPERLINK l _Toc2958264634.7功率主电路 PAGEREF _Toc295826463 h 22HYPERLINK l _Toc2958264644.8 参数显示与外部接口电路

18、 PAGEREF _Toc295826464 h 23HYPERLINK l _Toc2958264654.9系统总电路图 PAGEREF _Toc295826465 h 23HYPERLINK l _Toc295826466第5章软件控制 PAGEREF _Toc295826466 h 24HYPERLINK l _Toc2958264675.1概述 PAGEREF _Toc295826467 h 24HYPERLINK l _Toc2958264685.2主程序模块 PAGEREF _Toc295826468 h 25HYPERLINK l _Toc2958264695.3起动控制模块 P

19、AGEREF _Toc295826469 h 26HYPERLINK l _Toc2958264705.4位置中断模块 PAGEREF _Toc295826470 h 27HYPERLINK l _Toc2958264715.5控制算法模块 PAGEREF _Toc295826471 h 28HYPERLINK l _Toc2958264725.6转速PI调节模块 PAGEREF _Toc295826472 h 29HYPERLINK l _Toc2958264735.7定时器中断模块 PAGEREF _Toc295826473 h 29HYPERLINK l _Toc2958264745.8

20、故障保护与处理模块 PAGEREF _Toc295826474 h 29HYPERLINK l _Toc295826475第6章总结 PAGEREF _Toc295826475 h 31HYPERLINK l _Toc295826476参考文献 PAGEREF _Toc295826476 h 32HYPERLINK l _Toc295826477附录 PAGEREF _Toc295826477 h 33HYPERLINK l _Toc295826478翻译部分 PAGEREF _Toc295826478 h 34HYPERLINK l _Toc295826479致 PAGEREF _Toc29

21、5826479 h 53第1章 绪 论1.1课题背景开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）作为上世纪80年代出现的一种新型机电一体化系统，具有非常优良的性能和广泛的应用发展前景。与传统的交、直流调速系统相比，开关磁阻电机既保留了感应电机的绝大部分优点，而且具有控制器简单、运行可靠性高、控制灵活方便和价格便宜等突出特点。而近来，随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，开关磁阻电机驱动系统也与时俱进，日趋先进，在电动车、航空工业、家用电器和机械传动领域都有成功的应用，成为电气传动领域的新势力。11.2SR电机与SR电机驱动系统概述1.2.1SR电机的基本结构

22、与工作原理开关磁阻电动机传动系统（SRD）是上世纪八十年代新型调速系统，通过与日趋先进的电力电子技术与计算机控制技术相结合，具有许多显著的优点，在电气传动领域得到了越来越多的应用。SR电动机（三相6/4极）的结构原理如下图所示，在SRD系统中起到机电能量转换的作用。SR电动机为双凸极结构，定子与转子由硅钢片叠压而成，定子径向相对的绕组可并联或串联成一相。常见的电机主要有三相6/4极与四相8/6极。图1-1 三相6/4极电动机结构原理图SR电动机的基本工作原理是磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合“磁阻最小原理”。当定子的某一相通电时产生的磁场由于磁力线扭曲而产生旋转力矩，使转子旋转到磁阻最小的位置。

23、结合图1-1，当C相通电时，由磁阻最小原理可知，磁力线扭曲产生的旋转力矩将带动转子转动，使转子1-3极轴线与定子的CC极轴线对齐；接着，C相断电，B相通电，使转子顺时针转过30,使转子的2-4极极轴线与定子的BB相极轴线对齐；B相断电，A相通电，转子顺时针转过30，使转子1-3极轴线最终与定子AA极轴线对齐，这样，一个周期，转子转过90，当定子按C-B-A-C.的顺序通电，电机沿顺时针方向旋转。反之，若按C-A-B-C.给定子通电，则电机逆时针旋转。由上分析易知，SR电机的旋转方向至于定子绕组的通电顺序有关，而与通电电流的方向无关。11.2.2SR电动机的特点开关磁阻电机在结构和控制原理上面的

24、特点使得其与其它种类的传统电机相比，具有以下优点：（1）结构简单，成本较低。SR电动机的突出优点就是定、转子皆由硅钢片叠压而成，定子上也只有简单的绕组，结构简单，制造成本低。此外，与同样性能的其他一些交流调速系统相比，SR电动机功率变换器的拓扑结构也较简单，开关元器件的数目较少，每相可以仅使用一个，这极减少了功率变换器的成本。这样，整个SR电动机调速系统的成本在交流调速领域有很强的竞争力。（2）可控参量多，调速性能较好。开关磁阻电动机的主要参控方法有控制开通角、关断角，控制相电流幅值和控制相绕组电压等多种。SR电机各相之间无互感，而且每相电流的导通、关断和电流大小皆可独立控制，这让其性能与直流

25、电机调速系统相近，可以在四象限运行，能实现特定要求的调速控制。由于SR电动机的驱动系统的控制器是以微处理器为核心的，因而可以通过改变控制系统软件实现电机的运行特性的改变，无需改变控制系统硬件，这是相对其他种类电机的显著优点，便于智能化。（3）效率高，工作可靠。SR电机在广泛的转速、功率围皆具有高效率。此外，简单可靠的功率电路的使用，避免了直通短路现象，这样可以简化功率电路的保护电路，减低成本的同时，极大的提高了整个SRD系统的可靠性，降低了运行维护所需的人力物力，提高了市场竞争力。 （4）适用围广。SR电机的功率围很广，能从几瓦到数兆瓦，而且能适用与频繁起停和正反转速运行的机械系统，在各种恶劣

26、环境下的可靠性都很高，在电动车、航空工业以与一些精密的伺服系统中都得到了广泛的应用。当然，SRD系统也存在一些不足，如存在转矩脉动、震动和噪声较大以与出线较多，需要不断的改善。31.3国外SR电机驱动系统的研究现状与发展趋势1.3.1SR电动机的发展概况SR电机的渊源可以19世纪40年代，当时有科学家利用两个U型电磁铁制造了电动车，由蓄电池供电，但受限于当时的机械开关控制性能较差，电动机的性能不高。进入20世纪，随着大功率晶闸管的问世，SR电机的研究进入了新纪元。从1967年起，英国Leeds大学开始了对SR电机的深入研究。这项研究表明SR电机相对于同容量的其他感应电机，在单向电流下四象限运行

27、时，其功率变换器所用的开关数是最少的，结构简便，成本也低。这些优势为SR电机的发展打下了基础。20世纪70年代，美国福特公司研制出了具有电动机运行状态和宽广调速围的SR电动机调速系统，并将其应用到了利用蓄电池供电的电动车辆上。1983年英国的TASC公司推出第一代通用的SR电机调速产品，此后，国外电气传动领域纷纷推出了其商品化的磁阻电机产品。其功率从10w到50MW，转速围从10rpm到100000rpm，转矩围从0.1Nm到1000000Nm，而系统功率变换电路所采用的开关元件有GTO、MOSEF、IGBT等，控制更加灵活、准确，控制器所采用的微处理器有8位机、16位机一直到32位机，功能愈

28、加完善极大的扩大了SR电机的应用围。其中比较典型的有英国SRDLtd公司推出的第二代SR电机，其功率和转速围相对于TASC的Oulton系列产品有了显著的提高。此外，英国ALLENWEST公司、BJD公司、加拿大semifusion公司等都分别制造出了一系列生产实践性能很好的产品。17 我国从20世纪80年代初开始进行SRD的研究，经过十几年的努力，许多高等学校和科研院、所在SRD研制、开发领域辛勤耕耘，起步虽然较晚，但在借鉴国外经验的基础上发展速度很快，目前已经研制出多种性能优良的调速系统，广泛应用于煤矿的采煤机、地铁汽车牵引、龙门刨床、抽丝机、高档洗衣机等，解决了许多传统电机调速系统难以解

29、决的技术难题。1.3.2SRD系统概述SRD系统是上世纪80年代时期发展起来的新型调速系统，其基本构成如下：电源功率变换器SR电动机外接负载位置检测电流检测控制信号控制器在这个控制系统中，SR电动机实现机电能量的转换。SRD系统的发展是建立在电力电子技术和微控技术发展的基础上的。早期的SR电动机主开关器件主要用SCR。但是SCR没有自关断功能，这使得强迫关断的电路控制复杂且开关速度较慢，此外成本也较高，显然，这样的功率变换器控制性能是不理想的。GTR和GTO都属于电流控制型器件，GTO开关频率不高且门极控制较复杂，而GTR得驱动电路消耗功率较大。MOSFET相对工作频率更高，开关速度较快，适合

30、小功率、低压的SR电动机的功率变换器的开关器件。IGBT兼具GTR饱和压降低和MOSFET控制端输入阻抗高的优势，驱动电路简单且工作频率较高，是较理想的中、小型SR电动机的功率变换器的主开关元件。而对高压、大功率的SR电动机，可选择MCT做主开关元件。MCT是晶闸管和MOSFET的复合元件，具有工作频率高，电流密度大，易驱动，易控制等优点。本次设计的主电路采用IGBT为主开关元件。11.3.3SR电机的未来研究方向SRD系统经过几十年的发展，性能愈加完善，未来的研究工作主要集中在以下几个方面：（1）无位置传感器的SRD系统。位置检测器是SR电机的必备元件，但是它的使用使得结构简单的SR电机变得

31、复杂，降低了运转的可靠性，因而探索实用的无位置传感器的检测方案是当前备受注目的课题。目前研究较多的是通过采集定子绕组的瞬态的电感信息，进而实现无位置检测器控制方案，但实际应用还任重而道远。（2）振动和噪声的控制。SR电机采用的是脉冲供电，使得电机具有一定的瞬时转矩波动，特别是在低转速时步进状态明显，振动和噪声都较大。此外高速、重载时振动和噪声也较大。怎样通过电机设计和控制策略的优化，有效地抑制转矩波动和噪声，使SRD系统具有低速平稳运行且有静态转矩保持能力，这是需要进一步研究的。（3）综合智能应用。随着现代微控技术的发展，ASIC和高性能的DSP都开始得到了从分的利用，怎样利用日趋先进的微控技

32、术，实现具有动态性能高、抗干扰能力强、智能化程度高的高智能化的SRD系统控制是近期研究的热点。3171.4课题研究的主要容与意义随着社会的快速发展，电动机调速系统中在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用渗透到了社会各行各业。老式的磁阻电机效率、功率因数和功率密度都很低，因而适用领域受到了很大的限制。于是，将磁阻电机与电子器件相结合的开关磁阻电机应运而生。SRD作为新兴的机电一体化调速系统，具有很多传统电机调速系统难以比拟的优势。因此，研究出实用性强、性价比高、动态性能好和抗干扰能力强的SRD系统对社会发展具有重要意义。本设计的主要是利用80C196KC为核心设计出通用化、标准化、智能化的开关

33、磁阻电机驱动系统，因而在相应开关器件的选择如何做到性价比最高，单片机控制策略的实现以与相应控制程序的设计以与电路原理图的设计是本次毕业设计的难点。第2章 SR电机的数学建模与控制策略分析2.1引言SR电机的结构比较简单，但由于定子采用双凸极结构，绕组电流是非线性的，此外，由于磁路的饱和、涡流和磁滞效应皆会产生非线性，这样，就造成定子绕组的磁通、电流波形不规则，难以用传统的分析方法进行分析计算。但是，电机部的电磁过程仍然是建立在基本的电磁定律上的，可据此求得SR电机的基本方程式。常见的求解方法有线性模型、准线性模型、和非线性模型。对于非线性模型，虽可建立一个非常精确的数学模型，但磁路的饱和涡流的

34、计算非常繁琐，工程实际意义却并不大。因此，我们在这里采用线性模型，虽然精度较低，但亦可清楚的表示出电机的基本特性与各种参量之间的关系，可作为探讨控制方法的依据 。2.2 SR电机的基本方程对于一个m相的SR电机，在忽略铁心损耗，且假定各相的结构和参数对称，这样，SR电机可看成具有一个机械端口和m对电端口的电气装置。据此，可得到各种基本方程如下：2.1.1电压方程据基本的电路定律可知，SR电机某相（k相）的电压平衡方程：uk = Rkik+ （2-1）在此式中：uk第k相绕组端电压； Rk 第k相绕组电阻； ik第k相绕组电流；第k相绕组的磁链。2.2.2 磁链方程 SR电机中某相绕组的磁链是该

35、相电流与自感、其余相电流与互感和转子位置角的函数，但各相之间的互感相对自感小得多，简便起见，SR电机的计算中一般省略互感，磁链方程为：=Lk（k，ik）ik (2-2)式中，每相电感Lk是该相电流 ik与转子位置角k的函数，将该式带入式（2-1）中可得：.(2-3)从上式中可看出，电源电压与三部分压降相等。第一项是电阻压降；第二项是电流变化而感应的电动势，又称变压器电动势；第三部分是转子位置改变引起的磁链变化而产生的感应电动势，即运动电动势。2.2.3机械运动方程 SR电动机运行时，在电磁转矩和负载转矩的作用下，转子的机械运动方程如下： (2-4)在上式中，表示电磁转矩，J表示系统的转动惯量，

36、表示摩擦系数，表示负载转矩。2.2.4转矩公式SR电动机的电磁转矩可由下式求得： (2-5)在上式中，表示绕组的磁共能。 上述SR电动机的数学模型完整、准确地描述了其电磁和力学关系，但是由于电路与磁路的非线性因素，准确计算的工作量很大且计算非常困难。2.3SR电动机的理想线性模型分析2.3.1SR电动机的理想线性模型由上节易知，SR电机的非线性模型的计算是非常困难的，本次设计需要我们掌握SR电动机部的基本电磁关系与基本特性，不需复杂的精确计算，故我们可对理想的线性模型进行研究。理想的线性模型需要作如下假设：（1）忽略电流大小对绕组电感的影响，忽略磁路的饱和影响；（2）半导体开关器件的开关动作是

37、瞬时的，即导通和关断时压降皆为零；（3）主电路电源的直流电压(士Us)恒定；（4）忽略磁通的边缘效应，忽略所有的功耗；（5）电动机的转速恒定。 满足以上假设条件的电机模型就是理想的线性模型，电机相绕组电感L随着转子的位置角呈周期变化，如下图2-1所示：LmaxL（）LminOu23a45 图2-1相绕组电感曲线 如上图2-1中所示，以定子极轴线和转子凹槽中心重合的位置为基准点，即坐标原点，以转子位置角为横坐标。=u=0时，相电感最小，为Lmin;转子转过半个极距角（/Nr）时，定子的磁极轴线与转子的凸极中心对齐，此时相电感达到最大值，为Lmax。这样，随着定子和转子的不断重叠和分离，相电感在最

38、小值和最大值之间线性地上升和下降，变化周期为转子极距r，正比于转子极数。在图2-1中，u为定子和转子不对齐的位置；2为转子凸极刚开始与定子磁极发生重叠的位置；3为转子凸极与定子磁极的临界重叠位置；a位置的电感最大；4为转子凸极刚要与定子磁极脱离完全重叠的位置；5转子凸极刚好与定子磁极完全脱离。这样，可得到SR电动机的相绕组电感与转子的位置角关系如下：u2时，L（）=Lmin；23时，L（）=Lmin+k（-2）； 34时，L（）=Lmax；45时，L（）=Lmax-k（-4）；在上式中，k=（Lmax- Lmin）/(3-2) =（Lmax- Lmin）/s。s为定子磁极极弧。2.3.2相绕组

39、磁链方程 SR电动机其中一相绕组的由恒定直流电源Us供电，这一相电路的电压方程为： Us = iR+在上式中，+、-分别对应于绕组通电期与电源关断后绕组的续流期。由于是理想的线性模型，忽略所有功耗，故上式可以简化为： （2-6）式中，=表示转子的角速度。 在开关合闸瞬间，此时，0=0；=on，on为定子绕组电源接通时转子与定子的相对位置角，即为开通角，则由式2-6可知通电段的磁链表达式为： (2-7) 当=off时，电源关断，off为关断角，此时磁链达到最大值： (2-8)上式中，op=off-on,表示一相绕组的开通角。 而根据是2-6Us取-时，可得到续流期间的磁链为; (2-9)这样，就

40、可得出SR电动机理想线性模型下磁链随转子位置角的变化曲线如下图2-2所示：maxOonoff2off-onoff-onoff-on 图2-22.3.3相绕组的电流方程 将式2-6改写成如下形式： (2-10) 在转速、电压一定时，绕组的电流只与转子位置角和初始条件有关，下面分段进行研究分析：在u2时，L=Lmin，初始条件为i（on）=0,解得： (2-11) 此段区域，电感恒为，电流直线上升。在2off时，L（）=Lmin+k（-2）；根据电压方程并代入初始条件可求出： (2-12)对应的电流变化率： (2-13) 由上式易得，当on2-Lmin/k时，di/d2-Lmin/k时，di/d0

41、，则电流将继续上升。不同的on可以形成不同的相电流波形。（3）在off3区域，主开关元件关断，绕组进入续流期。此时，电流的解析式如下： (2-14)(4) 在34区域，电流解析式如下： (2-15)(5)在42offon5区域，电流解析式为： (2-16) 这样，以上各式构成了一个完整的电流解析式，它是电源电压、电机几何尺寸、电机转速和转子位置角的函数。在电压和转速恒定的时，电流波形与开通角on、关断角off、最小电感Lmin、最大电感Lmax以与定子极弧s有关。 由此可看出，主开关开通角on在控制电流大小方面作用明显。当on减小时，电流峰值和电流波形的波宽将增大；主开关关断角off对电流波形

42、宽度有影响，off增大时，电流波形变宽，但它对电流峰值没影响；此外，电流大小与直流供电电压成正比，与电机的转速成反比，启动时常采用电流斩波控制进行限流。这些，都是电动机驱动系统设计的原理基础。2.3.4 电磁转矩电机的电磁转矩也是分段的，假定电机的磁路不饱和，根据电感的分段解析式可得电磁转矩的解析式分列如下：u2时，Te=0；23时，Te =1/2Ki2； 34时，Te =0；45时，Te =-1/2Ki2。 从上式中易看出，电磁转矩的大小与电流的平方成正比。在电感曲线上升的阶段，绕组电流产生正向转矩；在电感曲线下降的阶段，绕组电流产生制动转矩，这也是关断角的选取需要顾与的地方，一般取电感上升

43、区域的中间位置。2.4SR电机的控制策略2.4.1SR电机的基本运行特性SR电动机在给定外施电压Us且开通角on、关断角off固定时，电动机的转矩、功率和转速的关系与直流电动机的串励特性类似。但在转速较低时，电流。转矩都有极限值，其基本的机械特性如下图2-3所示：TO恒转矩区恒功率区串励特性区CCC方式APC方式c固定12 图2-3SR电动机基本机械特性（1）恒转矩区。对于给定的SR电动机，它在恒转矩区能达到的最大转速为1，此时，SR电动机的功率也是最大的，1称为第一临界转速。在低速运行时，由于电机的平均电磁转矩Tav与相电流的平方成正比，为了获得恒转矩特性，限制电流不超过允许值，常采用电流斩

44、波控制，即CCC（Chopped Current Control）控制。CCC控制的方法是固定开通角on、关断角off，通过斩波控制外施电压。CCC控制分为启动斩波模式、定角度斩波模式与变角度斩波模式三种。启动斩波模式在SR电动机启动时采用，通常固定on、off，导通角op取一个较大的值，以便在得到大的启动转矩的同时又能限制相电流峰值；定角度斩波模式常在电机启动后低速运行时采用，op不变但相对较小；变角度斩波模式通常在电机中速运行是采用。CCC控制通常有以下几种方法实现斩波：限制电流上、下幅值；电流上限和关断时间给定；PWM斩波调压控制。本次设计采用电流上限和关断时间给定的方法，即将相电流i与

45、给定电流Imax比较，当iImax时，控制功率开关关断一段时间，一个周期的关断时间是恒定的。这种控制方式最大的优点是简单容易实现，但对关断时间的选取要适宜，以防止“过斩”或斩波频率过高。（2）恒功率区。在恒功率区，保持外施条件不变时，增大时，Tav将随着2下降。在第一临界速度以上1、第二临界速度2以下，为获得恒功率特性，采用角度位置控制，即APC(Angular Position Control)控制，保持外施电压不变，调节开通角on和关断角off，常采用固定关断角off、改变开通角on的控制方式。一般选offa,且op/2。（3）串励特性区。当转速继续增加，可控条件达到极限，转矩不再随转速的

46、平方下降，此时，SR电动机呈串励特性。 在SR电动机控制方式实际运用时，一般低速时采用CCC控制，高速时采用APC控制，在中速时采用CCC控制和APC控制方式结合来进行控制。这种组合控制方式提高了电动机的控制性能。12.4.2SR电动机的起动 SR电动机启动时有两种起动方式，即一相通电起动和两相通电起动。本次设计所采用的是四相8/6极SR电动机，采用两相起动方式。相对于一相起动方式，两相起动增大了电动机的启动转矩，消除了起动死区，同时两相起动的转矩脉动减小，起动所需的电流幅值也更低。2.4.3SR电动机运行控制（1）正反转控制 SR电机的运行需两个条件：一是使转子运转的转矩，二是有相应相序的控

47、制信号。由前面2.3节的分析易知，每相绕组的通电区域由开通角on和关断角off所在区段来决定。若通电区段位于0的区段，产生正转矩；若通电区段位于UAC即V+V-时，LM339输出Vl为高电平，此时，与此相对应相的主功率开关导通;反之，若UrefUAC即V+V-时，则Vl变为低电平，则可得与非门CD4011输出V2变为高电平，单稳态触发器CD4098的输入端V3变为低电平，单稳态触发器将工作，其输出端OUTAC为低电平且将持续时间Tl，对应相主功率开关关断Tl时间。如果在Tl时间Vl变为高电平，则在Tl终止时刻，OUTAC恢复高电平，主功率开关元件导通；如果在T1时间Vl一直为低电平，则OUTA

48、C继续处于关断状态直到Vl为高电平为止，如此循环反复就构成一个斩波调节控制。图中的CHOPLOCK信号由80C196KC的PI.0端口给出，在SR电动机进入高速运行后，不进行电流斩波控制时将其置为低电平，使HCF4098处于复位状态不工作输出端呈高电平。同时还将此引脚作为故障处理的一个控制端。图4-3低速电流斩波电路4.4高速电压斩波电路SR电动机进入高速运行阶段后，则控制方式就要切换到变角度的电压斩波制方式。电压斩波的实质是进行PWM调节，通过对PWM波的占空比的调节进而实现组端平均电压的调节和速度闭环控制。PWM方案的选择在充分发挥CPU潜力的同时，要兼顾功率开关器件的工作频率，在功率开关

49、允许的围提高PWM波的频率能降低SRM的振动和噪声。80C196KC一共提供了6个HSO端口引脚，其中两个引脚与HSI口复用。每个输出口可以独立输出，且不受事件写入先后顺序的影响，只要事件到了触发时间，对应的数据线便能够输出规定的电平。如果HSO高速交替输出高低电平，则它本生就是输出PWM信号，不用新增控制线便能实现电压斩波控制；若HSO根据位置传感器信号的变化来确定输出高低电平则它就是角度控制信号了。因为HSO端口的时间寄存器是16位的，可以将PWM波做到最高具有16位分辨率，与硬件PWM线(8位寄存器)相比，可以大大提高PWM占空比的分辨率，仅从这一点上讲它可以提高PWM的控制精度。通过在

50、程序中改变HSO复位定时器2事件的触发时间，也就改变了PWM的频率，有利于实现不同功率开关对PWM频率的要求，提高了控制频率的灵活性。4.5故障检测电路SRD系统的故障检测电路，是系统正常运行的可靠保障，主要有过电压保护和过热保护，其基本电路如下：图4-4过电压检测电路 图4-5过热保护电路如上图4-4所示为过电压检测电路，当直流侧电源电压Uss过高时，该电路将通过P0.0口向单片机发出故障信号。图4-5所示为过热保护电路，使用AD590温度传感器，这种传感器的精密度较高，无需温度补偿，且抗干扰能力较强。AD590埋设在开关元件和整流桥的散热片上面，用电阻R64见输出的电流信号转化为电压信号，

51、用电位器W来设定保护值，两者相比较，判断是否过热。当过热时，过热信号通过P0.1送入单片机，使单片机发出故障信号，防止过高温度下电机被烧坏。4.6逻辑综合电路 逻辑综合电路的输出信号经光电隔离后，送入到功率放大器的驱动电路，驱动相应的IGBT产生动作。下面以A相为例，说明逻辑综合电路的控制原理。图4-6 A相逻辑综合电路 如上图4-6所示，当HSO.0、IAC和故障输入信号都为高电平时，TLP521的输入端截止，A相EXB841导通。4.7功率主电路本次设计采用电容分压型主电路其电路图4-7如下所示： 图4-7功率主电路在图中易看出，该功率变换器的每相只需要一个开关器件和一个续流二极管，它们上

52、下交替排布。电路在低速时采用CCC控制方式，高速时采用APC控制。电路由三相工频交流电经全波整流后供电，其直流供电电压平均值约为513V。图中，Rb是合闸时的保护电阻，避免在合闸时的浪涌电流过冲击滤波电容。电机启动合闸，Rb被切除。VT和R21组成一个制动放电电路，当电容过电压故障时，VT导通，电容能量能释放到R21上，保护电容不被击穿，而当SR电动机制动运行时，VT和R21为绕组的电能回馈提供了可靠路径。电容C1、C2起滤波和分压的作用。电阻R22和R23能平衡电容C1、C2上的电压，同时在整个系统关闭时对电容放电。1交流电源的整流电路选用可选用Eupec公司生产的TT B6C 135 N三

53、相全控整流桥（1600V/137A），滤波电容选用两只3900F/400V的电解电容串联构成双电源。主开关器件选用MID300-12和MD300-12各两只。SR电动机的过载峰值电流约为147A，该IGBT电流额定值Ic为300A，Vces为1200V，满足要求。驱动电路选用富士公司的EXB841混合驱动模块。如下图4-8所示，这是选用的驱动电路图， 图4-8驱动电路图4.8 参数显示与外部接口电路显示电路是人机交流的重要途径，而未接电路用来为输入命令和数据以对SR电动机的运行状态进行干预和控制，同时将SR电动机的转速n、开通角on、关断角off以与绕组电流等重要参数显示出来。本次设计选用由8

54、279显示接口芯片构成的键盘显示电路，以实现数据输入和起动、停车、制动等命令的执行与运行信息显示。因为8279单个芯片就能实现键盘输入和LED显示控制功能，自动消除开关抖动，对显示器自动进行扫描和按键识别，从而节省了微处理器的运算时间，很大程度上提高了CPU的工作效率。4.9系统总电路图系统总的电路图见附录。在总图中，只画了A、C相的逻辑综合电路，C、D相的逻辑综合电路与此类似，在图中未画出。电压保护电路的输出由P1.1口输出。当过电压时，P1.1口输出电压保护信号，经光电隔离后输入到VT的驱动电路入口，如总图中所示，进而实现过压保护。第5章 软件设计5.1概述在前文中，已对系统的硬件系统进行

55、了完整的设计，但硬件系统要想运行速度快，且控制精确，亦离不开合理、完善的软件支持。SRD系统最主要的控制容是起、停转控制、转速控制和保护控制。而对SR电动机的进行转速控制，就是通过调节输出转矩和负载相平衡，使其在功率允许围的任何负载转矩情况下，使SR电动机稳定在给定转速。在不同的转速围需要采用不同的控制方法，以满足不同的调速需要。为了实现SRD系统对调速的要求，且实现各种高性能控制，软件系统应满足以下要求：（1）电机起动时无起动死区，起动转矩倍数大于1.5；（2）能在线准确计算并稳定显示电动机的时机转速；（3）据本次电动机参数，应能实现转速在50-2000rpm之间连续可调，在50-1500r

56、pm围恒转矩运行，在1500-2000rpm围能实现恒功率稳定运行；（4）能够判断故障源，并能在显示器上显示出来；（5）能通过按键实现起、停控制，并能预置转速，实现人机对话。为了满足以上要求，我们需制订以下控制策略：在低速启动阶段（0-50rpm），为实现SR电动机快速可靠的起动，采用两相全开通方式。在每相绕组电感上升区段的30区间完全导通相绕组，根据转子位置信号与对应相电感变化的曲线可知，在每一瞬间保证有有两相绕组通电，此时旋转电动势比较小，只需对电流进行斩波，将电流限制在最大允许值以，采用定角度定电流的控制方式即可。在中速阶段（50-1500rpm），采用定角度斩波控制。通常所采用的方法是

57、固定关断角on，然后，对不同的速度段采用不同的导通角off，通过电流斩波限制电流幅值，在此区域，由微控制器自动通过调节off调节斩波电流的幅值，使产生的电磁转矩能与负载转矩相平衡，从而使转速稳定在给定值，实现转速的闭环控制。在高速阶段（1500-2000rpm），采用APC控制方式。这时电机旋转电动势己经上升，绕组的导通电流将被削弱，一般采用通过自动调节导通角来对转矩的大小进行控制，从而使电磁转矩能与负载转矩相平衡，进而实现转速闭环控制。本次设计的样机为小功率的SR电动机，故在此区域以电压PWM斩波为主，同时适当调节导通角on和关断角off的进行控制，故这种控制方式亦可称之为变角度的电压斩波控

58、制。本次设计的软件系统需要完成以下这些主要功能：（1）控制系统初始化。主要包括各种参数初始化、I/O口初始化、键盘和显示器的初始化以与存储区的初始化。（2）键盘与显示器的管理。键盘与显示器通过8279芯片的控制，和CPU接口完成控制参数的输入和转速、电压、电流的显示。（3）通过HIS中断实现转子位置检测和，应用软件细分进行转速实时计算。（4）电机起动，通过转子位置信号的组合逻辑判定通电相。（5）与时给出电流参考值以实现速度的闭环控制。（6）不同速度段不同控制方式之间的切换。（7）故障检测与相应处理。本次设计以SOC196KC为控制核心，相应的控制程序也应该与系统总体的总体设计思想和硬件电路紧密

59、融合在一起。控制程序的设计思路采用模块化设计，整个控制程序主要由主程序模块、初始化模块、起动模块、位置中断模块、控制算法模块、PI调节模块、软件定时器中断模块和故障检测与处理模块等组成。主程序采用对各子模块调用的形式，以不断循环的结构运行，以便实现控制参量的输入、运行状态的显示、正反转运行与转速闭环控制。以下各节将着重以流程图的形式，具体论述不同的程序模块，并对能够体现SRD系统软件设计思想的重要程序模块进行详细说明。1205.2主程序模块主程序的主要功能是通过对各子程序模块的调用，根据转速对SR电动机的运行和控制状态进行相应转换，并且完成控制参数的输入和显示，以实现对系统的闭环控制。主程序主

60、要包括系统的初始化和单片机电时系统状态的判断。系统初始化主要是初始化程序中的相关变量，如给定转速等，同时设定CPU外部接口的工作方式与工作状态，同时初始化CPU部的各功能部件，开放中断，使系统开始准备运行。初始化后年进行故障诊断，若无故障，则进入起动状态；若有故障，则显示故障类型，并进入故障处理模块，等待故障解除。主程序流程图如下图5-1所示。开始无故障？系统初始化键盘扫描转速可用？电机起动模块故障保护和处理起动？电机运行控制NoYesNoYesYesNo故障类型显示 图5-1主程序流程图在主程序流程图中设有转速是否可用的判断，这一判断主要是针对SR电动机运行特点，同时从实际控制方便的角度进行