電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要 隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)文明的發(fā)展，在當(dāng)前石油資源短缺和環(huán)境污染的加劇的情況下，作為一種理想的“綠色”代步工具，電動(dòng)自行車的發(fā)展受到了人們的重視。電動(dòng)自行車無污染，低噪音，速度適中，操作簡單，價(jià)格低，儼然成為人們的新寵。開關(guān)磁阻電機(jī)是隨現(xiàn)代電力電子技術(shù)，微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展起來的新型電機(jī)，憑借成本低、效率高，靈活控制等優(yōu)點(diǎn)，十分適合于電動(dòng)自行車。本文首先介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)及其的發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述;其次，針對(duì)電動(dòng)自行車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，完成了電機(jī)參數(shù)選擇、電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)計(jì)、功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、功率開關(guān)管的選擇與參數(shù)定額、以

2、及功率變換器的損耗估算。課題設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分，第一部分是開關(guān)磁阻電機(jī)的一體化驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì);第二部分是位置檢測(cè)的設(shè)計(jì)。一體化驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)電源、功率驅(qū)動(dòng)電路、位置信號(hào)輸入電路、轉(zhuǎn)速反饋FN轉(zhuǎn)換電路、閉環(huán)控制電路、PWM波生成電路、電流斬波電路、欠壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路。位置檢測(cè)設(shè)計(jì)包括直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種方案。首先，針對(duì)電動(dòng)自行車獨(dú)特的外轉(zhuǎn)子式電機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種使用光電傳感器的直接檢測(cè)方案;其次，從SR電機(jī)的相電感與轉(zhuǎn)子位置之間關(guān)系開始分析，建立了SR電機(jī)的線性電感模型，提出了非勵(lì)磁相電感法間接檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)構(gòu)思。在間接位置檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)中，介紹了電感諧振電路、續(xù)流檢測(cè)電路及

3、DSP數(shù)字處理單元，并結(jié)合軟件設(shè)計(jì)給出了部分軟件設(shè)計(jì)。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，總結(jié)。驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)控制器的功能，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī);SR電機(jī);電動(dòng)自行車39 AbstractWith the progress of science and technology, the social civilization development, in the current oil resources shortage and environmental pollution intensifies, as a kind of ideal "green" tr

4、ansport, electric bicycle development by people's attention. Electric bicycle no pollution, low noise, speed, moderate, simple operation, low prices, has become a people to be bestowed favor on newly. Switched reluctance motor is with modern power electronic technology, microcomputer control tec

5、hnology developed, relying on the new motor cost is low, the efficiency high, flexible control etc, very suitable for electric bicycles. This paper first introduces switched reluctance motor and its development status, and the characteristics of switched reluctance motor discussed; Secondly, with dr

6、ive motor for electric bicycle, completing the motor requirements of selecting parameters, basic structure schematic design, motor power converter topology selection, power switch tube choice and parameter quotas, and the loss estimation in power converters. Topic design includes two parts, the firs

7、t part is the integration of switched reluctance motor driving controller design; The second part is position detection design. Driving controller design including system integration of power supply, power drive circuit, position signal input circuit, rotational speed feedback FN conversion circuit,

8、 closed-loop control circuit, PWM waves generated circuit, current chopper, undervoltage protection circuit, over-current protection circuit. Position detection design including direct detection and indirect testing two options. First of all, for electric bicycle unique exterior rotor type electrica

9、l engineering structure, design a kind of use direct detection scheme photoelectric sensor; Secondly, from SR motor phase inductance and began to analyze relationship between rotor position, established the SR motor linear inductance model, and then puts forward the non excitation phase inductance m

10、ethod indirect testing scheme design idea. In indirect position detection hardware design, introduces the inductance resonance circuit, free-wheeling detection circuit and DSP digital processing units, and combined with the software design gives part of the software design. Finally, the design of th

11、e system, and simulation summary. Verify the function of driving controller, proved the rationality of the design of system. Keywords：Switched Reluctance Motor；Position Detection; Electric Bicycle目錄 第一章 緒論51.1電動(dòng)自行車車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展51.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類51.3課題驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇目的和意義6第二章 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)72.1開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展72.2開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)組成72.

12、4開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理82.5 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型102.6 機(jī)械特性132.7SRD系統(tǒng)的位置信號(hào)檢測(cè)14第三章 SR電機(jī)控制器硬件電路的設(shè)計(jì)163.1控制器的整體構(gòu)成163.2系統(tǒng)硬件概述173.3 ATmega48的外圍電路設(shè)計(jì)173.3.1系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇173.3.2ISP下載接口設(shè)計(jì)183.3.3 AD轉(zhuǎn)換電源的降噪設(shè)計(jì)193.4復(fù)位電路的設(shè)計(jì)203.5電源電路和電壓采樣電路203.5.1 電源電路203.5.2電壓采樣電路213.6系統(tǒng)功率電路及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)213.6.1系統(tǒng)功率電路213.6.2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路223.7轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理電路233.

13、8電流檢測(cè)和保護(hù)電路24第四章 驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)254.1總的設(shè)計(jì)思路254.1.1主程序254.1.2初始化程序264.2各功能模塊的設(shè)計(jì)264.2.1位置檢測(cè)模塊264.2.2換相控制模塊284.2.3雙閉環(huán)控制模塊284.2.4 AD采樣模塊284.2 5剎車控制模塊294.2.6過流保護(hù)模塊304.2.7欠壓保護(hù)模塊304.2.8定速巡航模塊31第五章 系統(tǒng)仿真335.1仿真335.2結(jié)論35總結(jié)36致謝37參考文獻(xiàn)38第一章 緒論電動(dòng)自行車是解決世界能源危機(jī)、大氣污染等重大難題的理想代步工具。20世紀(jì)70年代，中東石油危機(jī)的爆發(fā)以及人類對(duì)自然環(huán)境的日益關(guān)注，電動(dòng)自行車從沉寂期走出來，

14、再度成為技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。 電動(dòng)自行車的研究，主要是車體，蓄電池和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)部分。電動(dòng)自行車的整體運(yùn)行性能，經(jīng)濟(jì)性等主要取決于電池系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣對(duì)電動(dòng)自行車的駕駛性能，續(xù)駛里程起著至關(guān)重要的作用。近年來各國試圖尋找一種結(jié)構(gòu)簡單，效率高和性能可靠的無極調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。1.1電動(dòng)自行車車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展電機(jī)是電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)組件，目前國內(nèi)外的電動(dòng)自行車采用的電機(jī)主要是永磁直流電機(jī)，有無刷和有刷，低速和高速之分。以前，大多數(shù)電動(dòng)自行車使用的電機(jī)為有刷低速直流電機(jī)，隨著科技的進(jìn)步和電子組件成本的下降，無刷直流電機(jī)成為當(dāng)前電動(dòng)自行車的首選電機(jī)。隨著交流技術(shù)的不斷提升，開關(guān)磁阻

15、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了更多的關(guān)注。作為驅(qū)動(dòng)的主體開關(guān)磁阻電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調(diào)速性能和靈活的可控性，也愈來愈得到專家和研發(fā)人員的認(rèn)可和應(yīng)用。1.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類有刷直流電機(jī)主要分為印制繞組電機(jī)和線繞組盤式電機(jī)。有刷直流電機(jī)的特點(diǎn)是控制簡單，低成本，有著超強(qiáng)的過載能力;缺點(diǎn)是需要電刷、換向器，對(duì)電機(jī)的工作效率造成影響。有刷直流電機(jī)又有齒輪和無齒輪之分。有刷有齒電機(jī)是一種高速電機(jī)，它是通過齒輪減速機(jī)構(gòu)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)動(dòng)力比較足，且爬坡能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是輪轂是封閉的，潤滑脂用戶本人不能加，也很難進(jìn)行日常保養(yǎng)，并且齒輪本身也存在磨損，很容易因?yàn)闈櫥南亩鴮?dǎo)致齒輪磨損加重，發(fā)

16、出比較大的噪聲，消耗電流變大，對(duì)電機(jī)和電池的壽命造成威脅。而有刷無齒輪電機(jī)是外轉(zhuǎn)子式的低速電機(jī)，不需要靠齒輪來減速，選取的是低速輸出方式，避免了因齒輪嚙合而發(fā)出的噪聲，其缺點(diǎn)是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小，啟動(dòng)時(shí)動(dòng)力相對(duì)較不足，爬坡能力也感覺較弱。優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行安全，噪聲小。 無刷直流電機(jī)不帶電刷，無需齒輪減速，從根本上消除了電刷磨損和齒輪磨損，不存在定期更換電刷，而且噪聲很小。無刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器以及電子換向電流三部分組成。無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：無干擾，長壽命、高效率、維護(hù)簡單、運(yùn)行可靠，可在寬廣的范圍內(nèi)平滑的調(diào)速：缺點(diǎn)：與有刷直流電機(jī)相比，控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，

17、適應(yīng)惡劣環(huán)境高速運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電流簡單，成本低，性能可靠，電機(jī)易冷卻，能四象限運(yùn)行，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有著高效率和功率因素，并且可控參數(shù)多，起動(dòng)電流小，容易智能化處理滿足不同要求。缺點(diǎn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)打，噪聲大電機(jī)需要適應(yīng)位置傳感器，增大結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。1.3課題驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇目的和意義開關(guān)磁阻電機(jī)的一系列特點(diǎn)證明其非常適合電動(dòng)車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求 ，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在大功率的電動(dòng)汽車上已經(jīng)運(yùn)用成功，在小功率的電動(dòng)自行車上正不斷開發(fā)，現(xiàn)有的電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要是永磁直流電機(jī)，電動(dòng)自行車采用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的嘗試。第二章 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.1開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展開關(guān)磁阻電

18、機(jī)（SRM）的基本結(jié)構(gòu)及原理的出現(xiàn)可以追溯到19世紀(jì)40年代，由于其特殊的運(yùn)行原理，人們對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的研究一直沒有很大進(jìn)展，直到1970年，英國里茲大學(xué)和諾丁漢大學(xué)聯(lián)合研究開關(guān)磁阻電機(jī)，首創(chuàng)了開關(guān)磁阻電機(jī)的雛形，為后來開關(guān)磁阻電機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。之后又了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，可以為50KW的電瓶汽車提供裝置。1980年，英國成立了開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置有限公司，專門研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)SRD系統(tǒng)，在1983年首先推出了SRD系列產(chǎn)品，并為該產(chǎn)品命名為OUTTON。此外還研制了一種適用于有軌電車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，到1986年運(yùn)行已達(dá)500km。該產(chǎn)品的現(xiàn)世，在電氣傳動(dòng)界引起了不小的反響。在很多性能指針上達(dá)到了出

19、乎意料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能指針達(dá)到或超過了工業(yè)中長期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動(dòng)系統(tǒng)。 隨后，世界很多國家也開始對(duì)SRD系統(tǒng)的研究。大約從1985年開始我國開展了對(duì)SRD的研究工作，在借鑒國外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國的SRD研究進(jìn)展較快，先后開發(fā)出3.5kw、5.5kw、7.5kw等規(guī)格樣機(jī)，一些產(chǎn)品并小批量投入生產(chǎn)。之后SRD系統(tǒng)的研究被列入我國中、小型電機(jī)“八五”、“九五”、“十五”科研規(guī)劃項(xiàng)目，對(duì)SRD的研究的重視程度。其中華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研究出適用SRD系統(tǒng)的電動(dòng)汽車，并在“十五”項(xiàng)目中將SRD應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車，都取得了可觀的運(yùn)行效果。目前，SRD

20、已成功運(yùn)用到很多領(lǐng)域。2.2開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)組成SRD系統(tǒng)主要是由開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）、功率變換器、控制器及位置和電流檢測(cè)器四部分組成。其中SR電機(jī)是SRD中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，功率變換器是SR電機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，檢測(cè)器反饋SR電機(jī)信息以用于控制，控制器控制SR電機(jī)以實(shí)現(xiàn)高性能驅(qū)動(dòng)。它們之間的關(guān)系如圖2.2所示圖2.2 SRD系統(tǒng)組成一 開關(guān)磁阻電機(jī) SR電機(jī)是SRD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，也是SRD系統(tǒng)有別于其它電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。可以通過輸入電流的大小來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出及轉(zhuǎn)速。通過改變電機(jī)各相的通電順序來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。二 功率變換器功率變換器是向電機(jī)直接提供

21、能量的部件，由半導(dǎo)體開關(guān)組件組成，受控制器的輸出控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在不同時(shí)刻的換相。其輸出為蓄電池的直流電或交流整流的直流電。三 控制器控制器是SRD系統(tǒng)的核心部分。由位置和電流檢測(cè)器提供反饋信息，傳達(dá)到控制器，然后控制器綜合處理，最后通過對(duì)功率變換器的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。在SRD中，控制器需要有的功能：（1）電流斬波控制或電壓斬波控制。（2）角度位置控制。（3）起動(dòng)、制動(dòng)、停車及四象限運(yùn)行。（4）速度調(diào)節(jié)。四 位置檢測(cè)電路若要電機(jī)能按要求轉(zhuǎn)到，就需要在轉(zhuǎn)子運(yùn)行到適當(dāng)位置時(shí)給予適當(dāng)?shù)南嗤〝?，否則會(huì)出現(xiàn)電機(jī)的停反轉(zhuǎn)甚至是亂轉(zhuǎn)，電機(jī)就不能按要求轉(zhuǎn)到。這也就是開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)明顯區(qū)別

22、于其他電機(jī)系統(tǒng)的地方：需要一個(gè)位置檢測(cè)電路。五 電流檢測(cè)電路在電機(jī)運(yùn)行過程中如何保護(hù)電機(jī)不會(huì)因電流過大而導(dǎo)致?lián)p壞，這是就需要對(duì)電機(jī)的相電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，這就是需要電流檢測(cè)電流的原因。2.4開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)式與步進(jìn)電機(jī)相似，系雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)。SRD電機(jī)采用凸極定子和凸極轉(zhuǎn)子的雙凸極結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片迭壓而成，而且定轉(zhuǎn)子極數(shù)不相等。轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)成一相。20多年來，SR電機(jī)一直受到了人們的廣泛關(guān)注，設(shè)計(jì)出多種相數(shù)結(jié)構(gòu)不同的SR電機(jī)，按相數(shù)分有單相、雙相、三相、四相和五相，低于三相的SR電

23、機(jī)無自啟動(dòng)能力。對(duì)于有自啟動(dòng)、四象限運(yùn)動(dòng)要求的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)選表2.4所示的定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案。相數(shù)多，步進(jìn)角小，利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，缺導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且主開關(guān)器件增多，成本就高，目前應(yīng)用較多的是三相6/4極結(jié)構(gòu)和四相8/6極結(jié)構(gòu)。表2.4 圖2.4.1 四相8/6極SR電機(jī) 圖4.2.a為四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，有A, B, C, D四相繞組。 相對(duì)于m相SR電動(dòng)機(jī)來說，如設(shè)定子齒極數(shù)為NS，轉(zhuǎn)子齒極數(shù)為Nr，則轉(zhuǎn)子極距角r （2.1）現(xiàn)在將各個(gè)相繞組通斷點(diǎn)，把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度大小定義成步距角，則 （2.2）現(xiàn)在將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，所以每轉(zhuǎn)步數(shù)大小為 （2.3）旋轉(zhuǎn)一周，相繞組就要依次電次，這樣就

24、能得出SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n(r/min)與每相繞組的通電頻率之間的關(guān)系 （2.4）功率變換器的開關(guān)頻率為 （2.5）電機(jī)極數(shù)和電機(jī)性能和成本相數(shù)密切相關(guān)，在一般情況下，隨著極數(shù)和相數(shù)的增多，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)就會(huì)相應(yīng)變小，這樣一來運(yùn)行起來平穩(wěn)些，但是復(fù)雜性和成本也相應(yīng)提高了。相對(duì)的，相數(shù)和極數(shù)變了，雖然成本降低了，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大了。本文選用的是四相8/6級(jí)SR電機(jī)，其特點(diǎn)極相數(shù)合適，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在理想范圍內(nèi)。SR電機(jī)遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大路徑閉合的原理，產(chǎn)生磁拉力形成磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，故轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁路的磁阻需要盡可能大的變化。如圖2.4.2所示，其工作過程如下：當(dāng)A相繞組控制開關(guān)，閉合時(shí)（B,C,

25、D三相繞組都不通電），A相勵(lì)磁，所產(chǎn)生的磁力則試圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線與定子極軸線重合的位置，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。以圖4.2.b所示定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始位置，當(dāng)定子繞組ABCD相繞組通電，轉(zhuǎn)子會(huì)逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給BADC相通電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢姡琒RM的轉(zhuǎn)向僅取決于相繞組通電的順序，與相繞組的電流方向無關(guān)。同時(shí)SRM具有能量回饋的特性，系統(tǒng)效率高可節(jié)約能源。圖2.4.2 開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理2.5 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 為了簡化分析，忽略鐵芯損耗部分，并設(shè)開關(guān)磁阻電機(jī)的相數(shù)為m各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)稱。設(shè)n=1，··

26、;·，m相的電感、電壓、磁鏈、電阻、電流及轉(zhuǎn)矩分別為、，轉(zhuǎn)子位置角為，轉(zhuǎn)速為 電路方程根據(jù)能量守恒定律和電磁感應(yīng)定律，施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓降和因磁量變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)作用之和，第N相繞組電壓方程： （2.5.1）各相繞組磁鏈為該相電流與電感、其余各相電流與互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)： （2.5.2）由于開關(guān)磁阻電機(jī)各相之間的互感相對(duì)自感來說甚小，為了方便計(jì)算，在開關(guān)磁阻電機(jī)的計(jì)算中一般忽略相間互感，不考慮兩相以上電流導(dǎo)通時(shí)定、轉(zhuǎn)子局部飽和在各相之間的相互影響，這時(shí)磁鏈方程式可近似成: （2.5.3）電機(jī)的磁鏈可用電感和電流的乘積表示，即 （2.5.4）則式（2.6）可以

27、表示為： （2.5.5）機(jī)電聯(lián)系方程 電路方程和機(jī)械方程通過電磁轉(zhuǎn)矩耦合在一起，故反映機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為機(jī)電聯(lián)系方程，且考慮到m相繞組的對(duì)稱性，則SR電動(dòng)機(jī)輸出平均轉(zhuǎn)矩為： （2.5.6） 式中：為相電流的中間變量，為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)，為電感隨位置與電流變化的函數(shù)。機(jī)械方程 按照力學(xué)定律可列出在電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程： （2.5.7）式中：J、D分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯系數(shù)。式（2.5.5）（2.5.7）一并構(gòu)成開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。然而，上述數(shù)學(xué)模型盡管從理論上完整準(zhǔn)確地描述了開關(guān)磁阻電機(jī)的電磁及力學(xué)關(guān)系，但由于 及難以解析，所以使用起來很麻煩，實(shí)際中往往根

28、據(jù)具體電動(dòng)機(jī)的結(jié)果及所要求的精確程度加以適當(dāng)?shù)暮喕?。為了避免繁瑣的?jì)算，又近似考慮磁路的飽和效應(yīng)，將實(shí)際的非線性磁化曲線分段線性化，同時(shí)不考慮相間耦合效應(yīng)，近似處理，即得到SRM的準(zhǔn)線性模型。若不不計(jì)磁路的飽和影響，繞組的電感與電流大小無關(guān),且不考慮磁場(chǎng)邊緣擴(kuò)散效應(yīng)，這時(shí)相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子位置角周期性變化的規(guī)律如圖2.5.1所示，圖2.5.1圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角，它的基準(zhǔn)點(diǎn)（坐標(biāo)原點(diǎn)）位置對(duì)應(yīng)于定子磁極軸線（也是相繞組的中心）與轉(zhuǎn)子凹槽中心位置（把該位置叫做不對(duì)齊位置），這時(shí)相電感為最小值；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個(gè)極距（1800/N）時(shí)，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子凸極中心對(duì)齊（對(duì)齊位置），相電感為最大值。隨著

29、定、轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少，相電感在和之間線性地上升和下降，的變化頻率正比與轉(zhuǎn)子極數(shù)，變化周期為轉(zhuǎn)子極距。圖中，為定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極開始發(fā)生位置重疊位置；為定子勵(lì)磁極剛好與轉(zhuǎn)子磁極完全重疊位置（一般轉(zhuǎn)子磁極寬帶大于等于定子磁極的寬度）臨界重疊位置；為定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極臨界脫離完全重疊的位置;和為定子磁極剛剛與轉(zhuǎn)子凸極完全脫離的位置。故繞組電感與轉(zhuǎn)子位移角的關(guān)系可用函數(shù)表示為式中：K=其中為定子磁極極弧SR電動(dòng)機(jī)一相繞組的主電路如圖2.5.2所示，當(dāng)電機(jī)由恒定直流電源Us供電時(shí)，一相電路的電壓方程為 （2.7）式中，“+”號(hào)對(duì)應(yīng)于繞組與電源接通時(shí)，“一”對(duì)應(yīng)于電源關(guān)斷后繞組續(xù)流期間。 圖2.5

30、.2 SR電機(jī)一相繞組主電路根據(jù)“忽略所有功率損耗”的假設(shè)，則上式可以簡化為 （2.8）在轉(zhuǎn)速、電壓一定的條件下，繞組電流僅與轉(zhuǎn)子位置角和初始條件有關(guān)。由于繞組電感L()的表達(dá)式是一個(gè)分段解析式，分段求解結(jié)果如下:(1)在區(qū)域內(nèi)，L=Lmin，式2. 7前取“+”，將初始條件代入，解 (2.9)(2)在區(qū)域內(nèi)，L= Us前取“+”，得 (2.10)(3)在區(qū)域內(nèi)，主開關(guān)關(guān)斷，繞組進(jìn)入續(xù)流階段。此時(shí)L=，Us前取“-”，得 （2.11）(4)在區(qū)域內(nèi)，L=Lmax Us前取“-”，同理可得 （2.12）(5)在區(qū)域內(nèi)，L=，Us前取“-”，同理可得 (2.13) 而 （2.14）推得 (2.15

31、)由此可見，當(dāng)相電壓恒定時(shí)，與成反比，即電機(jī)呈串勵(lì)的機(jī)械特性。當(dāng)恒定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與相電壓成正比。因此我們可以通過調(diào)節(jié)相電壓U，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SRD系統(tǒng)的調(diào)速控制。根據(jù)以上原理，電壓斬波PWM控制方式采用的方法是:固定開、關(guān)角，在原來主開關(guān)相控觸發(fā)信號(hào)上加PWM調(diào)制，通過調(diào)節(jié)電壓的PWM的占空比來調(diào)節(jié)施加在相繞組上的兩端電壓以達(dá)到調(diào)速的目的。電壓斬波控制的特點(diǎn)：電壓斬波控制方式通過PWM方式調(diào)節(jié)繞組電壓平均值，進(jìn)而能間接限制和調(diào)節(jié)過大的繞組電流，故既能用于高速運(yùn)行，又適合于低速運(yùn)行。其余特點(diǎn)與電流斬波控制方式相反，既適合用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此時(shí)抗負(fù)載擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。2.6 機(jī)械

32、特性 圖2.6 SR電機(jī)的基本機(jī)械特性如圖2. 6所示，SR電機(jī)的運(yùn)行特性可分為三個(gè)區(qū)域:恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)很小，需要對(duì)電流斬波的波幅進(jìn)行限制，可采用電流斬波(CCC)方式，也可采用電壓PWM控制方式;在恒功率區(qū)，通過調(diào)節(jié)主開關(guān)的開通和關(guān)斷角的角度來得出恒功率特性，我們把這種調(diào)節(jié)方式叫做角度位置控制(APC)方式;而在串勵(lì)特性區(qū)，電源，開啟角度和關(guān)斷角度系列勵(lì)磁特性是固定。作為臨界轉(zhuǎn)速的,是以上特性的交接轉(zhuǎn)速。SR電機(jī)是在臨界轉(zhuǎn)速恒功率為SR電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速也稱為第一臨界速度，相應(yīng)的功率定義的特性，運(yùn)行的額定功率，是獲得最高額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)速度再次

33、升高，輸出功率將下降，也被稱為第二臨界速度。當(dāng)外加電壓給定我們，開通角和關(guān)斷角是固定的，SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，速度之間的關(guān)系和勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相似特征的系列。但事實(shí)上，當(dāng)車速低，電流和轉(zhuǎn)矩受限制，如圖2.6所示的基本機(jī)械性能。對(duì)于給定的SR電機(jī)，在最高電壓和最大流量和現(xiàn)狀，存在一個(gè)臨界速度，這是能達(dá)到的最高速度SR電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，稱為第一臨界速度。當(dāng)然，在這個(gè)時(shí)候SR電機(jī)功率也是最大的。SR電機(jī)的電流和速度是成反比的。在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)，通過對(duì)外加電壓、開通和關(guān)斷角的調(diào)節(jié)，可以限制繞組電流不超過允許值。同時(shí)通過斬波控制外加電壓，前提是開通和關(guān)斷腳是不變的，可以獲得第一臨界速度以下的恒轉(zhuǎn)矩特性。我們把這種控制

34、方式叫做電流斬波控制(Chopped Current Control，簡稱ccc)。在第一臨界轉(zhuǎn)速和第二臨界轉(zhuǎn)速之間，這是可以保持電壓不變，調(diào)節(jié)角度來獲得恒功率特性，該控制方式為角度位置控制。當(dāng)速度增加，由于受控制的條件已經(jīng)達(dá)到上限，SR電機(jī)呈勵(lì)磁特性運(yùn)行。這兩個(gè)臨界點(diǎn)是SR電機(jī)運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵特征?？刂谱兞康牟煌M合，是在速度軸上兩個(gè)臨界點(diǎn)的不同分布，采用不同的需求控制，得到想要的機(jī)械性能，SR電機(jī)的良好調(diào)速性能也就表現(xiàn)在此。2.7SRD系統(tǒng)的位置信號(hào)檢測(cè)SRD系統(tǒng)有電流、位置和速度三種反饋信號(hào)。SRD系統(tǒng)在起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)相電流的大小一般采用電流斬波控制來執(zhí)行;即便在APC模式下，以避

35、免系統(tǒng)過載或出現(xiàn)故障的情況，就需要監(jiān)測(cè)實(shí)際的繞組電流。故在當(dāng)前的SRD檢測(cè)系統(tǒng)中電流檢測(cè)是必不可少的。作為一種高性能變速系統(tǒng)，SRD系統(tǒng)為保障系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，我們必須依靠速度控制環(huán)節(jié)，這是我們就需要精確的速度信號(hào)來保障。因此，目前，三個(gè)檢測(cè)信號(hào)反饋直接關(guān)系到SRD系統(tǒng)的性能操作。為了確定位置檢測(cè)器定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，控制相應(yīng)的相繞組通斷，才需要對(duì)位置檢測(cè)。常見的位置檢測(cè)器有很多種方案。為了提高工作可靠性和高速性能指標(biāo)，這里SRD系統(tǒng)采用“無位置傳感器”檢測(cè)法。 圖2.7.1 光電位置檢測(cè)器電路原理圖如圖2.7.1為光敏式位置檢測(cè)器的電路原理圖，該檢測(cè)器是應(yīng)用最多的一種，它是由光點(diǎn)耦合開

36、關(guān)和遮光盤 組成。SRD系統(tǒng)一般用的是槽型光電開關(guān)，其結(jié)構(gòu)一般呈U型，其發(fā)射器(發(fā)光二極管)和接收器(光敏三極管)是對(duì)位于U型槽兩側(cè)，形成一光軸，當(dāng)經(jīng)過一個(gè)U型槽的物體能對(duì)光軸起阻斷作用時(shí)，光電開關(guān)就立刻產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。若SR電機(jī)有m相，光電藕合開關(guān)可以有m個(gè)或m/2個(gè)(其中m為偶數(shù))，則兩個(gè)相鄰光電藕合開關(guān)之間的夾角公式如下: 或 K(1,2) (2.1) 圖2.7.2 位置傳感器 圖2.7.3 基本位置信號(hào)在基本位置信號(hào)的檢測(cè)，就四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，可以采用四個(gè)，也可以采用兩個(gè)光電開關(guān)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，這里我們采用兩個(gè)光電開關(guān)檢測(cè)。當(dāng)使用兩個(gè)光電開關(guān)檢測(cè)時(shí)，需要調(diào)整好這兩個(gè)光電開關(guān)之間的夾角

37、度數(shù)，這里的角度選擇有,與75，其安裝位置也有很多選擇。圖2.7.2顯示了傳感器安裝位置的一種方法，在某相定子繞組中心線位置安裝一個(gè)光電開關(guān)，再順時(shí)針轉(zhuǎn)過安裝另一個(gè)光電開關(guān)，遮光盤的齒槽等分為。電路通電后，可輸出兩路周期為、間隔為的脈沖序列。如圖2.7.3所示，通過邏輯位置信號(hào)變換的兩路信號(hào)，可以用于控制四相繞組開關(guān)。這種檢測(cè)方法將不對(duì)齊位置(轉(zhuǎn)子槽中心線與定子極中心線對(duì)準(zhǔn)位置)定義為角度基準(zhǔn)點(diǎn)，比較直觀，易于控制。 圖2.7.4 位置傳感器電路圖為了消除干擾，采用滯環(huán)比較器電路防止邊沿抖動(dòng)，用具有整形功能的非門來整形。圖2.7.d為位置傳感器電路圖。第三章 SR電機(jī)控制器硬件電路的設(shè)計(jì)3.1

38、控制器的整體構(gòu)成 控制器覺得著電動(dòng)自行車的性能，相當(dāng)于系統(tǒng)的神經(jīng)中樞發(fā)出控制命令及處理各種異常情況。它的作用是：1. 提高電機(jī)和蓄電池的效率，節(jié)省能源；2. 保護(hù)電機(jī)和蓄電池；3. 降低電動(dòng)自行車在收到破壞時(shí)的損傷程度；4. 使電動(dòng)自行車操作靈活舒適；5. 保障使用者的人生安全。 圖3.1 系統(tǒng)控制原理框圖如圖3.1所示，系統(tǒng)控制原理框圖的幾個(gè)重要組成部分： 1.核心微處理器ATmega48; 2.電源電路; 3.系統(tǒng)功率電路及MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路; 4.轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理電路; 5.轉(zhuǎn)速給定部分; 6.電流檢測(cè)和保護(hù)部分。3.2系統(tǒng)硬件概述 任何一個(gè)控制系統(tǒng)都離不開軟件程序賴以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)

39、硬件電路系統(tǒng)的支持。本設(shè)計(jì)選用AVR單片機(jī)ATmega48為主控芯片，ATmega48具有豐富的I/O口、A/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、PWM通道等資源，為實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)的控制、換相檢測(cè)等提供方便 ，且具有強(qiáng)大高速的運(yùn)算處理能力，簡化了硬件的設(shè)計(jì)，再采取“硬件軟化”的設(shè)計(jì)理念，利于我們?cè)O(shè)計(jì)的簡潔性。3.3 ATmega48的外圍電路設(shè)計(jì)ATmega48單片機(jī)是集計(jì)算機(jī)（RISC）結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。具有先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，它的數(shù)據(jù)吞吐率可以達(dá)到16MIPS/MHz，可以減緩系統(tǒng)在功耗和速度處理之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，這些寄

40、存器與算數(shù)邏輯單元都直接連接，可以提高代碼效率。 ATmega48內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富的硬件接口電路，I/O口增加了引腳電平變換的功能，并且在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。3.3.1系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇ADC配有自己特定的時(shí)鐘，下表是幾種通過Flash熔絲位選擇的時(shí)鐘源。先是時(shí)鐘輸入到單片機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘發(fā)生器，然后再分配于各個(gè)相對(duì)應(yīng)的模塊中去。振蕩頻率是由ATmega48內(nèi)置的RC振蕩線路產(chǎn)生，但是由于RC振蕩的準(zhǔn)確性不理想，不符合本系統(tǒng)的要求，這里我們選用外部晶振線路。圖3.2.1是外部晶體振蕩器連接圖 ，其中XTAL2引腳是反向放大器的輸入口，而XTAL1則是輸出口。 圖3.2.1

41、外部晶體振蕩器連接圖我們這里的是一個(gè)低功率振蕩器，它的輸出電壓擺幅很低。它的功耗低到不能觸發(fā)其他時(shí)鐘的輸入，這里C1和C2電容是一直保持一樣的大小。本文的振蕩器選擇使用石英晶體下表給出了其電容選擇范圍。 3.3.2ISP下載接口設(shè)計(jì)圖3.2.2為ISP下載接口電路，不需要任何的外圍零件。使用雙排25插座。由于沒有外圍零件，故PB5 (MOST)、PB6 (MISO)、PB7 (SCK )、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾。圖3.2.2 ISP下載接口電路3.3.3 AD轉(zhuǎn)換電源的降噪設(shè)計(jì)需要獨(dú)立的AD電源給芯片供電的原因是為了減小AD轉(zhuǎn)換時(shí)的電源干擾。如圖3.3所示， AVCC引腳單獨(dú)提

42、供ADC電源。ATmega48一般使用自帶的電壓，該電壓為2.56V。為了理想的抑制噪聲，一般都在AREF端接解耦，這里我們選取電容（C4）大小為0.1接地進(jìn)行解耦。圖3.3 AD轉(zhuǎn)換濾波線路3.4復(fù)位電路的設(shè)計(jì)圖3.4 復(fù)位電路ATmega48自己帶有上電復(fù)位設(shè)計(jì)，內(nèi)置于熔絲位里，它可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間如圖3.5為設(shè)計(jì)的復(fù)位電路。外加電容C30的作用是消除干擾和雜波，同時(shí)增加了復(fù)位電路的可靠性。D3的作用有兩個(gè):一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗制在VCC+O. 5V左右，二是當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，將R32 (10k)電阻從電路中分離開，這樣C30就能迅速地放電，就能保障在下一次通電時(shí)有效的產(chǎn)生復(fù)位。

43、在AVR單片機(jī)工作時(shí)，按下RST開關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，這樣就能觸發(fā)AVR單片機(jī)芯片復(fù)位。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)位電路不需要外圍電路，一般都用看門狗來直接控制AVR單片機(jī)的復(fù)位。3.5電源電路和電壓采樣電路3.5.1 電源電路電動(dòng)車是靠電壓為48V的蓄電池供電，而在控制電路中用到的芯片的工作電壓有15V和5V不等，這是我們需要將48V的電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如圖3.5.1所示，LM7815CT和LM7805CT是三端集成穩(wěn)壓器，電容C7，C8，C9,C10的接入目的是通過實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償來避免穩(wěn)壓器產(chǎn)生的高頻干擾，C11是電解電容，以減小輸入電源引入的低頻干擾給穩(wěn)壓器帶來影響。該穩(wěn)壓器電壓有著穩(wěn)定輸出、自

44、帶保護(hù)功能、小體積、高性價(jià)比、還能穩(wěn)定可靠運(yùn)作。LM7815的輸入電源不高，故這里需要將48V電源分壓。正常運(yùn)作時(shí)，功率電阻R1能分壓12V，晶體管NPN也能分壓18到19V，那么到達(dá)LM7815的電壓只有18V左右，正好能使LM7815正常工作。圖3.5.1 電源轉(zhuǎn)換電路3.5.2電壓采樣電路電動(dòng)車電池提供動(dòng)力能源，隨著時(shí)間的增加，使用電池的電壓會(huì)一直下降，當(dāng)下降到某一值時(shí)且電動(dòng)車還在運(yùn)行將會(huì)因蓄電池放電過深而會(huì)嚴(yán)重?fù)p害蓄電池的壽命，這里我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)電源電壓采樣電路，如圖3.5.2所示，通過電子的分壓作用，把48V電源電壓分到SV以下，分壓后的電壓信號(hào)再經(jīng)過RC濾波線路輸入到單片機(jī)的ADC

45、口。其中二極管1N4148的作用是將輸入信號(hào)的最高電壓鉗制在VCC+O. 5V左右。根據(jù)該電壓信號(hào)，單片機(jī)會(huì)及時(shí)的進(jìn)行欠壓保護(hù)。圖3.5.2 電壓采樣電路3.6系統(tǒng)功率電路及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3.6.1系統(tǒng)功率電路在SRD的設(shè)計(jì)過程中，功率變換器占據(jù)了成本的主要份額，其性能的好壞對(duì)系統(tǒng)的性能有著直接影響。能源供應(yīng)的開關(guān)磁阻電機(jī)功率轉(zhuǎn)換器，主要是起其關(guān)斷作用，能源儲(chǔ)存的控制繞組關(guān)閉電源以提供反饋信息和路徑。功率變換器的設(shè)計(jì)與開關(guān)磁阻電機(jī)、控制器的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，適用任何開關(guān)磁阻電機(jī)的不同控制方式的功率變換器是不存在的。本文設(shè)計(jì)的功率變換器需要滿足一下要求： (1開關(guān)設(shè)備的數(shù)量應(yīng)盡可能的減少

46、花費(fèi); (2)電源電壓需全部供能給電機(jī)繞組;(3)開關(guān)器件盡量靠近電源電壓量;(4)加在繞組的電流能迅速增加; (5)能對(duì)相電流進(jìn)行有效調(diào)制;(6)能把繞組儲(chǔ)能回饋給電源。SRD系統(tǒng)的功率變換器電路結(jié)構(gòu)主要有以下五種:雙開關(guān)型主電路，雙繞組型主電路，電容分壓型主電路，H橋型主電路，公共開關(guān)型主電路。功率變換器的形式多種多樣，這些與供電電壓、電機(jī)相數(shù)和開關(guān)器件的種類等有密切關(guān)系。鑒于這種考慮，本文采用的是H橋型主電路。H橋型主電路是四相開關(guān)磁阻電機(jī)經(jīng)常應(yīng)用的主電路形式，同時(shí)也只適用于四相或四的倍數(shù)相SRM。圖3.6.1為本文設(shè)計(jì)的功率變換器電路，H橋型主電路比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩

47、個(gè)串聯(lián)的分壓電容，換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導(dǎo)通相繞組，引起中點(diǎn)電位的較大浮動(dòng)。它要求每一瞬間上、下橋臂必須各有一相導(dǎo)通。本電路特有的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。電解電容的作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波，同時(shí)也吸收電流回饋。合閘是，R1充當(dāng)充電電阻，用來避免浪涌電流的濾波電容關(guān)閉時(shí)有過多的電流沖擊。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)后，開關(guān)閉合，R1就會(huì)被短路。R為用于電流環(huán)控制和硬件過流保護(hù)的取樣電阻。 圖3.6.1 功率變換器電路在此電路中，SR電動(dòng)機(jī)采用兩相通電的工作方式，調(diào)速是用斬波控制來實(shí)現(xiàn)，本文采用的是兩相斬波模式。3.6.2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路MOSFET所需

48、的驅(qū)動(dòng)電流比較大，單片機(jī)不足以提供，所以還需要另外添加驅(qū)動(dòng)。MOSFET常用的驅(qū)動(dòng)模塊EXB841，由于EXB841的驅(qū)動(dòng)電路和器件比較大，不太適合裝在電動(dòng)自行車上，故這里選用集成電路芯片IR2103來驅(qū)動(dòng)MOSFET。 圖3.6.2 SR電機(jī)通電邏輯我們選取的是8/6級(jí)開關(guān)磁阻電機(jī)，它的通電邏輯如圖3. 6.2所示，對(duì)換相邏輯的分析，再設(shè)計(jì)MOSFET真值表，得出IR2103的驅(qū)動(dòng)電路如圖3.6.3所示。但是由于上橋和下橋都導(dǎo)通的狀況不會(huì)在一塊IR2013驅(qū)動(dòng)信號(hào)上得到，所以我們我們把單獨(dú)的IR2103驅(qū)動(dòng)用到個(gè)個(gè)相上。對(duì)于B和D相，驅(qū)動(dòng)是LO，的作用是接收A相和C相發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，期間HI

49、N處于低電平狀態(tài)且保持不變；對(duì)于A和C相則相反，HO為驅(qū)動(dòng)，HIN為負(fù)責(zé)接收B、D驅(qū)動(dòng)信號(hào)，則處于高電平狀態(tài)且保持不變。 圖3.6.3 IR2103驅(qū)動(dòng)電路3.7轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理電路圖3.7為位置檢測(cè)電路圖。位置傳感器發(fā)出的兩路信號(hào)需要通過TLP521（TLP521為光耦，對(duì)信號(hào)其隔離作用），在傳送給AVR單片機(jī)前還需要對(duì)信號(hào)整形，其中選取的是施密特反相器進(jìn)行整形。其中 CAP 1 引腳接收到一相信號(hào)，接收到信號(hào)的同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)的計(jì)時(shí)器（T/C 1）會(huì)立刻對(duì)該信號(hào)的捕獲時(shí)刻進(jìn)行記錄，再通過與前一次信號(hào)的捕獲時(shí)刻對(duì)比，就能得出它們的平均速度，這里我們可以把它當(dāng)成該時(shí)刻的瞬時(shí)速度，因?yàn)?個(gè)捕獲信號(hào)

50、的時(shí)間間隔相當(dāng)小。 圖3.7 位置檢測(cè)電路圖3.8電流檢測(cè)和保護(hù)電路 圖3.8 電流檢測(cè)和保護(hù)電路如圖3.8為電流檢測(cè)和保護(hù)電路的電路圖，這里的電壓是從采樣電阻上得到的，還需要經(jīng)過放大，其中輸入單片機(jī)ADC口的，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制和軟件的過流保護(hù)；其中通過比較器的，可以比較實(shí)際電流和給定上限值的差距，如果實(shí)際電流比設(shè)定的電流上限值大時(shí)，比較器就會(huì)輸出低電平信號(hào)，這里設(shè)低電平信號(hào)為OC，此時(shí)的OC就會(huì)相與于換相和PWM信號(hào)。若OC為低電平，則MOSFET就會(huì)出現(xiàn)都不導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)電流就會(huì)下降，就會(huì)出現(xiàn)實(shí)際電流比設(shè)定電流上限值小的時(shí)刻，這是OC就會(huì)從低電平上升為高電平，MOSFET就會(huì)被導(dǎo)通，

51、這樣一個(gè)一個(gè)的無限循環(huán)，就是一個(gè)限流的作用，通過這些循環(huán)就能對(duì)電路起到過流保護(hù)。第四章 驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)一個(gè)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)，只有硬件是不夠的，同時(shí)還需得到軟件的配合。硬件是軟件工作的基礎(chǔ)，軟件是硬件運(yùn)行的保障，兩者是相輔相成的。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)，本章對(duì)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法的設(shè)計(jì)和研究。4.1總的設(shè)計(jì)思路軟件設(shè)計(jì)首先要把主要子程序進(jìn)行模塊分類，然后要使各程序之間發(fā)生關(guān)聯(lián)，需要再進(jìn)行編程處，這樣一個(gè)完整的軟件程序就出現(xiàn)了，下面是各模塊的設(shè)計(jì)。4.1.1主程序圖4.1 主程序流程圖主要程序是任何方案的重要組成部分，是整個(gè)過程的入口。圖4.1為主程序流程圖。程序啟動(dòng)時(shí)，首先是微控制器的硬件發(fā)生初

52、始化，接著單片機(jī)才將根據(jù)要求完成工作。當(dāng)手柄擰ADC的微控制器時(shí)，通過給定的采樣速度信號(hào)，控制電動(dòng)車的操作，而信號(hào)電平根據(jù)每個(gè)給定數(shù)量的導(dǎo)通信階段的地位。為了減少中斷的運(yùn)行時(shí)間，本文還需要把速度環(huán)和電流環(huán)編到主程序中去。我們將它設(shè)為死循環(huán)，只有當(dāng)有干擾時(shí)，程序?qū)⑦\(yùn)行在中斷向量的服務(wù)程序中斷，該程序在其他時(shí)刻表現(xiàn)為實(shí)施周期。在循環(huán)等待中，第一個(gè)標(biāo)志信號(hào)的變化，以確定在1的位置，然后電機(jī)旋轉(zhuǎn)，位置信號(hào)變化了，那么該標(biāo)志計(jì)數(shù)器清0，在0時(shí)，那么電機(jī)不轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器還在運(yùn)作，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到2秒時(shí)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，看門狗復(fù)位。這改變了在換相中斷服務(wù)程序信號(hào)位置設(shè)置為1.當(dāng)一個(gè)位置變化時(shí)，信號(hào)電平運(yùn)行中斷服務(wù)程序。 4.

53、1.2初始化程序初始化主要是對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，硬件系統(tǒng)的初始化包括引腳的初始化、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C1的初始化、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C2的初始化、ADC的初始化和看門狗初始化。脈寬調(diào)制所產(chǎn)生的T/C2，PB3引腳微控制器，使用相位修正PWM模式，模型提供了一個(gè)獲得高精度相位修正PWM波形的生成選項(xiàng)，用戶的使用成果更為精確。定時(shí)計(jì)數(shù)器多次從底部到頂部，從TOP，然后回到底部。在定時(shí)計(jì)數(shù)器在頂部計(jì)數(shù)，OCR2A和TCNT2出現(xiàn)匹配時(shí)，PB3將被清除為零，且處于低電平狀態(tài)；若底部出現(xiàn)一個(gè)匹配事件時(shí)，PB3將被置高。該操作為雙斜波操作，其具有較低的最大運(yùn)行頻率，又有其優(yōu)異的對(duì)稱性，非常適合用在電機(jī)控

54、制上。4.2各功能模塊的設(shè)計(jì)4.2.1位置檢測(cè)模塊這個(gè)函數(shù)模塊通過AVR單片機(jī)的輸入捕捉單元比較方案來實(shí)現(xiàn)的。AVR的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T/C1，T/C1輸入捕捉單元，它可以捕捉到的外部事件，給他們的時(shí)間戳記表明其發(fā)生的這一刻的時(shí)間。外部事件觸發(fā)信號(hào)輸入引腳工作可以通過比較，模擬來實(shí)現(xiàn)的單位。時(shí)間標(biāo)記可以用來計(jì)算時(shí)間頻率，占空比、責(zé)任周期和其他特征的信號(hào)，也能創(chuàng)造出一個(gè)日志事件。我們用兩個(gè)間隔采集到的信號(hào)來計(jì)算電動(dòng)自行車的速度。 圖4.2 輸入捕捉單元方框圖如圖4.2所示，為輸入捕捉單元方框圖。當(dāng)邏輯電平的變化發(fā)生在ICPI引腳上，而這種變化程度是由邊緣檢測(cè)確認(rèn)后，輸入捕捉就會(huì)被觸發(fā)：TCNT1的十六位輸入捕捉數(shù)據(jù)寄存器復(fù)制到工作的CRL，而輸入捕捉標(biāo)志功能量脈沖CF1工作集。如果在這個(gè)時(shí)候ICIEI等于1，捕捉將會(huì)被中斷。而此時(shí)CIF也會(huì)自己進(jìn)行清0工作，或者通過軟件在其相應(yīng)的I/O位置編輯進(jìn)邏輯“1”來實(shí)現(xiàn)清0工作。設(shè)置ICNC1=1，使噪聲抑制與一個(gè)簡單的數(shù)字濾波方案，提高了噪聲抑制系統(tǒng)噪聲的免疫力。它攜帶的4倍采樣觸發(fā)信號(hào)輸入。 4個(gè)樣本只有當(dāng)輸出將等于邊緣檢測(cè)器。噪聲抑制器啟用時(shí)，在輸入的變化進(jìn)行更新ICR1之間將增加4個(gè)系統(tǒng)