開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、 .PAGE54 / NUMPAGES58開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要開關(guān)磁阻電機(jī)作為上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有非常優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電機(jī)既保留了感應(yīng)電機(jī)的絕大部分優(yōu)點(diǎn)，而且具有控制器簡單、運(yùn)行可靠性高、控制靈活方便和價(jià)格便宜等突出特點(diǎn)。而近來，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也與時(shí)俱進(jìn)，日趨先進(jìn)，在電動(dòng)車、航空工業(yè)、家用電器和機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的新勢力。 本次論文主要對開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以80C196KC單片機(jī)作為控制核心，得出基于位置傳感器檢測和

2、電流檢測的控制方案。論文的理論基礎(chǔ)是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的理想線性數(shù)學(xué)模型，通過研究開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制特性、可控角、關(guān)斷角、相電流、繞組端電壓與控制策略之間的關(guān)系，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件電路和系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)。論文通過對開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的方便的正、反轉(zhuǎn)控制和制動(dòng)控制，并設(shè)計(jì)了比較完備的電流和電壓保護(hù)環(huán)節(jié)，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機(jī)；開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；位置傳感器；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目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295826419第1章緒論 PAGEREF _Toc295826419 h 1HYPERLINK l _Toc2958264201.1課題背景 PAGEREF _Toc295826420 h 1HYPERLINK l _Toc2958264211.2 SR電機(jī)與SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc295826421 h 1HYPERLINK l _Toc2958264221.2.1SR電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 PA

9、GEREF _Toc295826422 h 1HYPERLINK l _Toc2958264231.2.2SR電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) PAGEREF _Toc295826423 h 2HYPERLINK l _Toc2958264241.3國外SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc295826424 h 2HYPERLINK l _Toc2958264251.3.1SR電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 PAGEREF _Toc295826425 h 2HYPERLINK l _Toc2958264261.3.2SRD系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc295826426 h 3HYPERLINK

10、l _Toc2958264271.3.3SR電機(jī)的未來研究方向 PAGEREF _Toc295826427 h 3HYPERLINK l _Toc2958264281.4課題研究的主要容與意義 PAGEREF _Toc295826428 h 4HYPERLINK l _Toc295826429第2章 SR電機(jī)的數(shù)學(xué)建模與控制策略分析 PAGEREF _Toc295826429 h 5HYPERLINK l _Toc2958264302.1引言 PAGEREF _Toc295826430 h 5HYPERLINK l _Toc2958264312.2 SR電機(jī)的基本方程 PAGEREF _Toc

11、295826431 h 5HYPERLINK l _Toc2958264322.1.1電壓方程 PAGEREF _Toc295826432 h 5HYPERLINK l _Toc2958264332.2.2 磁鏈方程 PAGEREF _Toc295826433 h 5HYPERLINK l _Toc2958264342.2.3機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 PAGEREF _Toc295826434 h 6HYPERLINK l _Toc2958264352.2.4轉(zhuǎn)矩公式 PAGEREF _Toc295826435 h 6HYPERLINK l _Toc2958264362.3SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型分析 P

12、AGEREF _Toc295826436 h 6HYPERLINK l _Toc2958264372.3.1SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型 PAGEREF _Toc295826437 h 6HYPERLINK l _Toc2958264382.3.2相繞組磁鏈方程 PAGEREF _Toc295826438 h 7HYPERLINK l _Toc2958264392.3.3相繞組的電流方程 PAGEREF _Toc295826439 h 8HYPERLINK l _Toc2958264402.3.4 電磁轉(zhuǎn)矩 PAGEREF _Toc295826440 h 9HYPERLINK l _Toc2958

13、264412.4SR電機(jī)的控制策略 PAGEREF _Toc295826441 h 10HYPERLINK l _Toc2958264422.4.1SR電機(jī)的基本運(yùn)行特性 PAGEREF _Toc295826442 h 10HYPERLINK l _Toc2958264432.4.2SR電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) PAGEREF _Toc295826443 h 11HYPERLINK l _Toc2958264442.4.3SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制 PAGEREF _Toc295826444 h 11HYPERLINK l _Toc295826445第3章 SRD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc29582

14、6445 h 12HYPERLINK l _Toc2958264463.1 SR電動(dòng)機(jī)的換相原理 PAGEREF _Toc295826446 h 12HYPERLINK l _Toc2958264473.2 SRD控制系統(tǒng)原理 PAGEREF _Toc295826447 h 12HYPERLINK l _Toc2958264483.2.1 速度給定單元 PAGEREF _Toc295826448 h 12HYPERLINK l _Toc2958264493.2.2轉(zhuǎn)子位置檢測單元 PAGEREF _Toc295826449 h 13HYPERLINK l _Toc2958264503.2.3

15、數(shù)字速度PI調(diào)節(jié)器 PAGEREF _Toc295826450 h 15HYPERLINK l _Toc2958264513.2.4 電流檢測環(huán)節(jié) PAGEREF _Toc295826451 h 15HYPERLINK l _Toc2958264523.2.5 電流和電壓斬波控制調(diào)節(jié)器 PAGEREF _Toc295826452 h 16HYPERLINK l _Toc2958264533.2.6綜合邏輯控制單元 PAGEREF _Toc295826453 h 16HYPERLINK l _Toc2958264543.2.7功率變換器 PAGEREF _Toc295826454 h 16HYP

16、ERLINK l _Toc2958264553.3 80C196KC單片機(jī)簡介 PAGEREF _Toc295826455 h 16HYPERLINK l _Toc295826456第4章 SRD系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295826456 h 18HYPERLINK l _Toc2958264574.1系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc295826457 h 18HYPERLINK l _Toc2958264584.2位置檢測電路 PAGEREF _Toc295826458 h 19HYPERLINK l _Toc2958264594.3低速電流斬波器 PAGEREF _To

17、c295826459 h 19HYPERLINK l _Toc2958264604.4高速電壓斬波電路 PAGEREF _Toc295826460 h 20HYPERLINK l _Toc2958264614.5故障檢測電路 PAGEREF _Toc295826461 h 20HYPERLINK l _Toc2958264624.6邏輯綜合電路 PAGEREF _Toc295826462 h 21HYPERLINK l _Toc2958264634.7功率主電路 PAGEREF _Toc295826463 h 22HYPERLINK l _Toc2958264644.8 參數(shù)顯示與外部接口電路

18、 PAGEREF _Toc295826464 h 23HYPERLINK l _Toc2958264654.9系統(tǒng)總電路圖 PAGEREF _Toc295826465 h 23HYPERLINK l _Toc295826466第5章軟件控制 PAGEREF _Toc295826466 h 24HYPERLINK l _Toc2958264675.1概述 PAGEREF _Toc295826467 h 24HYPERLINK l _Toc2958264685.2主程序模塊 PAGEREF _Toc295826468 h 25HYPERLINK l _Toc2958264695.3起動(dòng)控制模塊 P

19、AGEREF _Toc295826469 h 26HYPERLINK l _Toc2958264705.4位置中斷模塊 PAGEREF _Toc295826470 h 27HYPERLINK l _Toc2958264715.5控制算法模塊 PAGEREF _Toc295826471 h 28HYPERLINK l _Toc2958264725.6轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)模塊 PAGEREF _Toc295826472 h 29HYPERLINK l _Toc2958264735.7定時(shí)器中斷模塊 PAGEREF _Toc295826473 h 29HYPERLINK l _Toc2958264745.8

20、故障保護(hù)與處理模塊 PAGEREF _Toc295826474 h 29HYPERLINK l _Toc295826475第6章總結(jié) PAGEREF _Toc295826475 h 31HYPERLINK l _Toc295826476參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295826476 h 32HYPERLINK l _Toc295826477附錄 PAGEREF _Toc295826477 h 33HYPERLINK l _Toc295826478翻譯部分 PAGEREF _Toc295826478 h 34HYPERLINK l _Toc295826479致 PAGEREF _Toc29

21、5826479 h 53第1章 緒 論1.1課題背景開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）作為上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種新型機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有非常優(yōu)良的性能和廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。與傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻電機(jī)既保留了感應(yīng)電機(jī)的絕大部分優(yōu)點(diǎn)，而且具有控制器簡單、運(yùn)行可靠性高、控制靈活方便和價(jià)格便宜等突出特點(diǎn)。而近來，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也與時(shí)俱進(jìn)，日趨先進(jìn)，在電動(dòng)車、航空工業(yè)、家用電器和機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域都有成功的應(yīng)用，成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的新勢力。11.2SR電機(jī)與SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述1.2.1SR電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

22、與工作原理開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)（SRD）是上世紀(jì)八十年代新型調(diào)速系統(tǒng)，通過與日趨先進(jìn)的電力電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。SR電動(dòng)機(jī)（三相6/4極）的結(jié)構(gòu)原理如下圖所示，在SRD系統(tǒng)中起到機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的作用。SR電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，定子徑向相對的繞組可并聯(lián)或串聯(lián)成一相。常見的電機(jī)主要有三相6/4極與四相8/6極。圖1-1 三相6/4極電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖SR電動(dòng)機(jī)的基本工作原理是磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合“磁阻最小原理”。當(dāng)定子的某一相通電時(shí)產(chǎn)生的磁場由于磁力線扭曲而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置。

23、結(jié)合圖1-1，當(dāng)C相通電時(shí)，由磁阻最小原理可知，磁力線扭曲產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩將帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子1-3極軸線與定子的CC極軸線對齊；接著，C相斷電，B相通電，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過30,使轉(zhuǎn)子的2-4極極軸線與定子的BB相極軸線對齊；B相斷電，A相通電，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過30，使轉(zhuǎn)子1-3極軸線最終與定子AA極軸線對齊，這樣，一個(gè)周期，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90，當(dāng)定子按C-B-A-C.的順序通電，電機(jī)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。反之，若按C-A-B-C.給定子通電，則電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由上分析易知，SR電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向至于定子繞組的通電順序有關(guān)，而與通電電流的方向無關(guān)。11.2.2SR電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)開關(guān)磁阻電機(jī)在結(jié)構(gòu)和控制原理上面的

24、特點(diǎn)使得其與其它種類的傳統(tǒng)電機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。SR電動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)就是定、轉(zhuǎn)子皆由硅鋼片疊壓而成，定子上也只有簡單的繞組，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。此外，與同樣性能的其他一些交流調(diào)速系統(tǒng)相比，SR電動(dòng)機(jī)功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也較簡單，開關(guān)元器件的數(shù)目較少，每相可以僅使用一個(gè)，這極減少了功率變換器的成本。這樣，整個(gè)SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的成本在交流調(diào)速領(lǐng)域有很強(qiáng)的競爭力。（2）可控參量多，調(diào)速性能較好。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要參控方法有控制開通角、關(guān)斷角，控制相電流幅值和控制相繞組電壓等多種。SR電機(jī)各相之間無互感，而且每相電流的導(dǎo)通、關(guān)斷和電流大小皆可獨(dú)立控制，這讓其性能與直流

25、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相近，可以在四象限運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)特定要求的調(diào)速控制。由于SR電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器是以微處理器為核心的，因而可以通過改變控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行特性的改變，無需改變控制系統(tǒng)硬件，這是相對其他種類電機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)，便于智能化。（3）效率高，工作可靠。SR電機(jī)在廣泛的轉(zhuǎn)速、功率圍皆具有高效率。此外，簡單可靠的功率電路的使用，避免了直通短路現(xiàn)象，這樣可以簡化功率電路的保護(hù)電路，減低成本的同時(shí)，極大的提高了整個(gè)SRD系統(tǒng)的可靠性，降低了運(yùn)行維護(hù)所需的人力物力，提高了市場競爭力。 （4）適用圍廣。SR電機(jī)的功率圍很廣，能從幾瓦到數(shù)兆瓦，而且能適用與頻繁起停和正反轉(zhuǎn)速運(yùn)行的機(jī)械系統(tǒng)，在各種惡劣

26、環(huán)境下的可靠性都很高，在電動(dòng)車、航空工業(yè)以與一些精密的伺服系統(tǒng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，SRD系統(tǒng)也存在一些不足，如存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、震動(dòng)和噪聲較大以與出線較多，需要不斷的改善。31.3國外SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.3.1SR電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況SR電機(jī)的淵源可以19世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)有科學(xué)家利用兩個(gè)U型電磁鐵制造了電動(dòng)車，由蓄電池供電，但受限于當(dāng)時(shí)的機(jī)械開關(guān)控制性能較差，電動(dòng)機(jī)的性能不高。進(jìn)入20世紀(jì)，隨著大功率晶閘管的問世，SR電機(jī)的研究進(jìn)入了新紀(jì)元。從1967年起，英國Leeds大學(xué)開始了對SR電機(jī)的深入研究。這項(xiàng)研究表明SR電機(jī)相對于同容量的其他感應(yīng)電機(jī)，在單向電流下四象限運(yùn)行

27、時(shí)，其功率變換器所用的開關(guān)數(shù)是最少的，結(jié)構(gòu)簡便，成本也低。這些優(yōu)勢為SR電機(jī)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，美國福特公司研制出了具有電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和寬廣調(diào)速圍的SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到了利用蓄電池供電的電動(dòng)車輛上。1983年英國的TASC公司推出第一代通用的SR電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品，此后，國外電氣傳動(dòng)領(lǐng)域紛紛推出了其商品化的磁阻電機(jī)產(chǎn)品。其功率從10w到50MW，轉(zhuǎn)速圍從10rpm到100000rpm，轉(zhuǎn)矩圍從0.1Nm到1000000Nm，而系統(tǒng)功率變換電路所采用的開關(guān)元件有GTO、MOSEF、IGBT等，控制更加靈活、準(zhǔn)確，控制器所采用的微處理器有8位機(jī)、16位機(jī)一直到32位機(jī)，功能愈

28、加完善極大的擴(kuò)大了SR電機(jī)的應(yīng)用圍。其中比較典型的有英國SRDLtd公司推出的第二代SR電機(jī)，其功率和轉(zhuǎn)速圍相對于TASC的Oulton系列產(chǎn)品有了顯著的提高。此外，英國ALLENWEST公司、BJD公司、加拿大semifusion公司等都分別制造出了一系列生產(chǎn)實(shí)踐性能很好的產(chǎn)品。17 我國從20世紀(jì)80年代初開始進(jìn)行SRD的研究，經(jīng)過十幾年的努力，許多高等學(xué)校和科研院、所在SRD研制、開發(fā)領(lǐng)域辛勤耕耘，起步雖然較晚，但在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展速度很快，目前已經(jīng)研制出多種性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于煤礦的采煤機(jī)、地鐵汽車牽引、龍門刨床、抽絲機(jī)、高檔洗衣機(jī)等，解決了許多傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)難以解

29、決的技術(shù)難題。1.3.2SRD系統(tǒng)概述SRD系統(tǒng)是上世紀(jì)80年代時(shí)期發(fā)展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)，其基本構(gòu)成如下：電源功率變換器SR電動(dòng)機(jī)外接負(fù)載位置檢測電流檢測控制信號(hào)控制器在這個(gè)控制系統(tǒng)中，SR電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。SRD系統(tǒng)的發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)和微控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上的。早期的SR電動(dòng)機(jī)主開關(guān)器件主要用SCR。但是SCR沒有自關(guān)斷功能，這使得強(qiáng)迫關(guān)斷的電路控制復(fù)雜且開關(guān)速度較慢，此外成本也較高，顯然，這樣的功率變換器控制性能是不理想的。GTR和GTO都屬于電流控制型器件，GTO開關(guān)頻率不高且門極控制較復(fù)雜，而GTR得驅(qū)動(dòng)電路消耗功率較大。MOSFET相對工作頻率更高，開關(guān)速度較快，適合

30、小功率、低壓的SR電動(dòng)機(jī)的功率變換器的開關(guān)器件。IGBT兼具GTR飽和壓降低和MOSFET控制端輸入阻抗高的優(yōu)勢，驅(qū)動(dòng)電路簡單且工作頻率較高，是較理想的中、小型SR電動(dòng)機(jī)的功率變換器的主開關(guān)元件。而對高壓、大功率的SR電動(dòng)機(jī)，可選擇MCT做主開關(guān)元件。MCT是晶閘管和MOSFET的復(fù)合元件，具有工作頻率高，電流密度大，易驅(qū)動(dòng)，易控制等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)的主電路采用IGBT為主開關(guān)元件。11.3.3SR電機(jī)的未來研究方向SRD系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，性能愈加完善，未來的研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）無位置傳感器的SRD系統(tǒng)。位置檢測器是SR電機(jī)的必備元件，但是它的使用使得結(jié)構(gòu)簡單的SR電機(jī)變得

31、復(fù)雜，降低了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，因而探索實(shí)用的無位置傳感器的檢測方案是當(dāng)前備受注目的課題。目前研究較多的是通過采集定子繞組的瞬態(tài)的電感信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無位置檢測器控制方案，但實(shí)際應(yīng)用還任重而道遠(yuǎn)。（2）振動(dòng)和噪聲的控制。SR電機(jī)采用的是脈沖供電，使得電機(jī)具有一定的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，特別是在低轉(zhuǎn)速時(shí)步進(jìn)狀態(tài)明顯，振動(dòng)和噪聲都較大。此外高速、重載時(shí)振動(dòng)和噪聲也較大。怎樣通過電機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略的優(yōu)化，有效地抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和噪聲，使SRD系統(tǒng)具有低速平穩(wěn)運(yùn)行且有靜態(tài)轉(zhuǎn)矩保持能力，這是需要進(jìn)一步研究的。（3）綜合智能應(yīng)用。隨著現(xiàn)代微控技術(shù)的發(fā)展，ASIC和高性能的DSP都開始得到了從分的利用，怎樣利用日趨先進(jìn)的微控技

32、術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有動(dòng)態(tài)性能高、抗干擾能力強(qiáng)、智能化程度高的高智能化的SRD系統(tǒng)控制是近期研究的熱點(diǎn)。3171.4課題研究的主要容與意義隨著社會(huì)的快速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中在國民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，它的使用滲透到了社會(huì)各行各業(yè)。老式的磁阻電機(jī)效率、功率因數(shù)和功率密度都很低，因而適用領(lǐng)域受到了很大的限制。于是，將磁阻電機(jī)與電子器件相結(jié)合的開關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。SRD作為新興的機(jī)電一體化調(diào)速系統(tǒng)，具有很多傳統(tǒng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢。因此，研究出實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高、動(dòng)態(tài)性能好和抗干擾能力強(qiáng)的SRD系統(tǒng)對社會(huì)發(fā)展具有重要意義。本設(shè)計(jì)的主要是利用80C196KC為核心設(shè)計(jì)出通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的開關(guān)

33、磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因而在相應(yīng)開關(guān)器件的選擇如何做到性價(jià)比最高，單片機(jī)控制策略的實(shí)現(xiàn)以與相應(yīng)控制程序的設(shè)計(jì)以與電路原理圖的設(shè)計(jì)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。第2章 SR電機(jī)的數(shù)學(xué)建模與控制策略分析2.1引言SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單，但由于定子采用雙凸極結(jié)構(gòu)，繞組電流是非線性的，此外，由于磁路的飽和、渦流和磁滯效應(yīng)皆會(huì)產(chǎn)生非線性，這樣，就造成定子繞組的磁通、電流波形不規(guī)則，難以用傳統(tǒng)的分析方法進(jìn)行分析計(jì)算。但是，電機(jī)部的電磁過程仍然是建立在基本的電磁定律上的，可據(jù)此求得SR電機(jī)的基本方程式。常見的求解方法有線性模型、準(zhǔn)線性模型、和非線性模型。對于非線性模型，雖可建立一個(gè)非常精確的數(shù)學(xué)模型，但磁路的飽和渦流的

34、計(jì)算非常繁瑣，工程實(shí)際意義卻并不大。因此，我們在這里采用線性模型，雖然精度較低，但亦可清楚的表示出電機(jī)的基本特性與各種參量之間的關(guān)系，可作為探討控制方法的依據(jù) 。2.2 SR電機(jī)的基本方程對于一個(gè)m相的SR電機(jī)，在忽略鐵心損耗，且假定各相的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對稱，這樣，SR電機(jī)可看成具有一個(gè)機(jī)械端口和m對電端口的電氣裝置。據(jù)此，可得到各種基本方程如下：2.1.1電壓方程據(jù)基本的電路定律可知，SR電機(jī)某相（k相）的電壓平衡方程：uk = Rkik+ （2-1）在此式中：uk第k相繞組端電壓； Rk 第k相繞組電阻； ik第k相繞組電流；第k相繞組的磁鏈。2.2.2 磁鏈方程 SR電機(jī)中某相繞組的磁鏈?zhǔn)窃?/p>

35、相電流與自感、其余相電流與互感和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，但各相之間的互感相對自感小得多，簡便起見，SR電機(jī)的計(jì)算中一般省略互感，磁鏈方程為：=Lk（k，ik）ik (2-2)式中，每相電感Lk是該相電流 ik與轉(zhuǎn)子位置角k的函數(shù)，將該式帶入式（2-1）中可得：.(2-3)從上式中可看出，電源電壓與三部分壓降相等。第一項(xiàng)是電阻壓降；第二項(xiàng)是電流變化而感應(yīng)的電動(dòng)勢，又稱變壓器電動(dòng)勢；第三部分是轉(zhuǎn)子位置改變引起的磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，即運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢。2.2.3機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程如下： (2-4)在上式中，表示電磁轉(zhuǎn)矩，J表示系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，

36、表示摩擦系數(shù)，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。2.2.4轉(zhuǎn)矩公式SR電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可由下式求得： (2-5)在上式中，表示繞組的磁共能。 上述SR電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型完整、準(zhǔn)確地描述了其電磁和力學(xué)關(guān)系，但是由于電路與磁路的非線性因素，準(zhǔn)確計(jì)算的工作量很大且計(jì)算非常困難。2.3SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型分析2.3.1SR電動(dòng)機(jī)的理想線性模型由上節(jié)易知，SR電機(jī)的非線性模型的計(jì)算是非常困難的，本次設(shè)計(jì)需要我們掌握SR電動(dòng)機(jī)部的基本電磁關(guān)系與基本特性，不需復(fù)雜的精確計(jì)算，故我們可對理想的線性模型進(jìn)行研究。理想的線性模型需要作如下假設(shè)：（1）忽略電流大小對繞組電感的影響，忽略磁路的飽和影響；（2）半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)動(dòng)作是

37、瞬時(shí)的，即導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)壓降皆為零；（3）主電路電源的直流電壓(士Us)恒定；（4）忽略磁通的邊緣效應(yīng)，忽略所有的功耗；（5）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定。 滿足以上假設(shè)條件的電機(jī)模型就是理想的線性模型，電機(jī)相繞組電感L隨著轉(zhuǎn)子的位置角呈周期變化，如下圖2-1所示：LmaxL（）LminOu23a45 圖2-1相繞組電感曲線 如上圖2-1中所示，以定子極軸線和轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，即坐標(biāo)原點(diǎn)，以轉(zhuǎn)子位置角為橫坐標(biāo)。=u=0時(shí)，相電感最小，為Lmin;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個(gè)極距角（/Nr）時(shí)，定子的磁極軸線與轉(zhuǎn)子的凸極中心對齊，此時(shí)相電感達(dá)到最大值，為Lmax。這樣，隨著定子和轉(zhuǎn)子的不斷重疊和分離，相電感在最

38、小值和最大值之間線性地上升和下降，變化周期為轉(zhuǎn)子極距r，正比于轉(zhuǎn)子極數(shù)。在圖2-1中，u為定子和轉(zhuǎn)子不對齊的位置；2為轉(zhuǎn)子凸極剛開始與定子磁極發(fā)生重疊的位置；3為轉(zhuǎn)子凸極與定子磁極的臨界重疊位置；a位置的電感最大；4為轉(zhuǎn)子凸極剛要與定子磁極脫離完全重疊的位置；5轉(zhuǎn)子凸極剛好與定子磁極完全脫離。這樣，可得到SR電動(dòng)機(jī)的相繞組電感與轉(zhuǎn)子的位置角關(guān)系如下：u2時(shí)，L（）=Lmin；23時(shí)，L（）=Lmin+k（-2）； 34時(shí)，L（）=Lmax；45時(shí)，L（）=Lmax-k（-4）；在上式中，k=（Lmax- Lmin）/(3-2) =（Lmax- Lmin）/s。s為定子磁極極弧。2.3.2相繞組

39、磁鏈方程 SR電動(dòng)機(jī)其中一相繞組的由恒定直流電源Us供電，這一相電路的電壓方程為： Us = iR+在上式中，+、-分別對應(yīng)于繞組通電期與電源關(guān)斷后繞組的續(xù)流期。由于是理想的線性模型，忽略所有功耗，故上式可以簡化為： （2-6）式中，=表示轉(zhuǎn)子的角速度。 在開關(guān)合閘瞬間，此時(shí)，0=0；=on，on為定子繞組電源接通時(shí)轉(zhuǎn)子與定子的相對位置角，即為開通角，則由式2-6可知通電段的磁鏈表達(dá)式為： (2-7) 當(dāng)=off時(shí)，電源關(guān)斷，off為關(guān)斷角，此時(shí)磁鏈達(dá)到最大值： (2-8)上式中，op=off-on,表示一相繞組的開通角。 而根據(jù)是2-6Us取-時(shí)，可得到續(xù)流期間的磁鏈為; (2-9)這樣，就

40、可得出SR電動(dòng)機(jī)理想線性模型下磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如下圖2-2所示：maxOonoff2off-onoff-onoff-on 圖2-22.3.3相繞組的電流方程 將式2-6改寫成如下形式： (2-10) 在轉(zhuǎn)速、電壓一定時(shí)，繞組的電流只與轉(zhuǎn)子位置角和初始條件有關(guān)，下面分段進(jìn)行研究分析：在u2時(shí)，L=Lmin，初始條件為i（on）=0,解得： (2-11) 此段區(qū)域，電感恒為，電流直線上升。在2off時(shí)，L（）=Lmin+k（-2）；根據(jù)電壓方程并代入初始條件可求出： (2-12)對應(yīng)的電流變化率： (2-13) 由上式易得，當(dāng)on2-Lmin/k時(shí)，di/d2-Lmin/k時(shí)，di/d0

41、，則電流將繼續(xù)上升。不同的on可以形成不同的相電流波形。（3）在off3區(qū)域，主開關(guān)元件關(guān)斷，繞組進(jìn)入續(xù)流期。此時(shí)，電流的解析式如下： (2-14)(4) 在34區(qū)域，電流解析式如下： (2-15)(5)在42offon5區(qū)域，電流解析式為： (2-16) 這樣，以上各式構(gòu)成了一個(gè)完整的電流解析式，它是電源電壓、電機(jī)幾何尺寸、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。在電壓和轉(zhuǎn)速恒定的時(shí)，電流波形與開通角on、關(guān)斷角off、最小電感Lmin、最大電感Lmax以與定子極弧s有關(guān)。 由此可看出，主開關(guān)開通角on在控制電流大小方面作用明顯。當(dāng)on減小時(shí)，電流峰值和電流波形的波寬將增大；主開關(guān)關(guān)斷角off對電流波形

42、寬度有影響，off增大時(shí)，電流波形變寬，但它對電流峰值沒影響；此外，電流大小與直流供電電壓成正比，與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比，啟動(dòng)時(shí)常采用電流斬波控制進(jìn)行限流。這些，都是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理基礎(chǔ)。2.3.4 電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也是分段的，假定電機(jī)的磁路不飽和，根據(jù)電感的分段解析式可得電磁轉(zhuǎn)矩的解析式分列如下：u2時(shí)，Te=0；23時(shí)，Te =1/2Ki2； 34時(shí)，Te =0；45時(shí)，Te =-1/2Ki2。 從上式中易看出，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比。在電感曲線上升的階段，繞組電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩；在電感曲線下降的階段，繞組電流產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這也是關(guān)斷角的選取需要顧與的地方，一般取電感上升

43、區(qū)域的中間位置。2.4SR電機(jī)的控制策略2.4.1SR電機(jī)的基本運(yùn)行特性SR電動(dòng)機(jī)在給定外施電壓Us且開通角on、關(guān)斷角off固定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系與直流電動(dòng)機(jī)的串勵(lì)特性類似。但在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電流。轉(zhuǎn)矩都有極限值，其基本的機(jī)械特性如下圖2-3所示：TO恒轉(zhuǎn)矩區(qū)恒功率區(qū)串勵(lì)特性區(qū)CCC方式APC方式c固定12 圖2-3SR電動(dòng)機(jī)基本機(jī)械特性（1）恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。對于給定的SR電動(dòng)機(jī)，它在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速為1，此時(shí)，SR電動(dòng)機(jī)的功率也是最大的，1稱為第一臨界轉(zhuǎn)速。在低速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩Tav與相電流的平方成正比，為了獲得恒轉(zhuǎn)矩特性，限制電流不超過允許值，常采用電流斬

44、波控制，即CCC（Chopped Current Control）控制。CCC控制的方法是固定開通角on、關(guān)斷角off，通過斬波控制外施電壓。CCC控制分為啟動(dòng)斬波模式、定角度斬波模式與變角度斬波模式三種。啟動(dòng)斬波模式在SR電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用，通常固定on、off，導(dǎo)通角op取一個(gè)較大的值，以便在得到大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)又能限制相電流峰值；定角度斬波模式常在電機(jī)啟動(dòng)后低速運(yùn)行時(shí)采用，op不變但相對較小；變角度斬波模式通常在電機(jī)中速運(yùn)行是采用。CCC控制通常有以下幾種方法實(shí)現(xiàn)斬波：限制電流上、下幅值；電流上限和關(guān)斷時(shí)間給定；PWM斬波調(diào)壓控制。本次設(shè)計(jì)采用電流上限和關(guān)斷時(shí)間給定的方法，即將相電流i與

45、給定電流Imax比較，當(dāng)iImax時(shí)，控制功率開關(guān)關(guān)斷一段時(shí)間，一個(gè)周期的關(guān)斷時(shí)間是恒定的。這種控制方式最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單容易實(shí)現(xiàn)，但對關(guān)斷時(shí)間的選取要適宜，以防止“過斬”或斬波頻率過高。（2）恒功率區(qū)。在恒功率區(qū)，保持外施條件不變時(shí)，增大時(shí)，Tav將隨著2下降。在第一臨界速度以上1、第二臨界速度2以下，為獲得恒功率特性，采用角度位置控制，即APC(Angular Position Control)控制，保持外施電壓不變，調(diào)節(jié)開通角on和關(guān)斷角off，常采用固定關(guān)斷角off、改變開通角on的控制方式。一般選offa,且op/2。（3）串勵(lì)特性區(qū)。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，可控條件達(dá)到極限，轉(zhuǎn)矩不再隨轉(zhuǎn)速的

46、平方下降，此時(shí)，SR電動(dòng)機(jī)呈串勵(lì)特性。 在SR電動(dòng)機(jī)控制方式實(shí)際運(yùn)用時(shí)，一般低速時(shí)采用CCC控制，高速時(shí)采用APC控制，在中速時(shí)采用CCC控制和APC控制方式結(jié)合來進(jìn)行控制。這種組合控制方式提高了電動(dòng)機(jī)的控制性能。12.4.2SR電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) SR電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)有兩種起動(dòng)方式，即一相通電起動(dòng)和兩相通電起動(dòng)。本次設(shè)計(jì)所采用的是四相8/6極SR電動(dòng)機(jī)，采用兩相起動(dòng)方式。相對于一相起動(dòng)方式，兩相起動(dòng)增大了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，消除了起動(dòng)死區(qū)，同時(shí)兩相起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，起動(dòng)所需的電流幅值也更低。2.4.3SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制（1）正反轉(zhuǎn)控制 SR電機(jī)的運(yùn)行需兩個(gè)條件：一是使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，二是有相應(yīng)相序的控

47、制信號(hào)。由前面2.3節(jié)的分析易知，每相繞組的通電區(qū)域由開通角on和關(guān)斷角off所在區(qū)段來決定。若通電區(qū)段位于0的區(qū)段，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩；若通電區(qū)段位于UAC即V+V-時(shí)，LM339輸出Vl為高電平，此時(shí)，與此相對應(yīng)相的主功率開關(guān)導(dǎo)通;反之，若UrefUAC即V+V-時(shí)，則Vl變?yōu)榈碗娖?，則可得與非門CD4011輸出V2變?yōu)楦唠娖?，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098的輸入端V3變?yōu)榈碗娖剑瑔畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器將工作，其輸出端OUTAC為低電平且將持續(xù)時(shí)間Tl，對應(yīng)相主功率開關(guān)關(guān)斷Tl時(shí)間。如果在Tl時(shí)間Vl變?yōu)楦唠娖?，則在Tl終止時(shí)刻，OUTAC恢復(fù)高電平，主功率開關(guān)元件導(dǎo)通；如果在T1時(shí)間Vl一直為低電平，則OUTA

48、C繼續(xù)處于關(guān)斷狀態(tài)直到Vl為高電平為止，如此循環(huán)反復(fù)就構(gòu)成一個(gè)斬波調(diào)節(jié)控制。圖中的CHOPLOCK信號(hào)由80C196KC的PI.0端口給出，在SR電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速運(yùn)行后，不進(jìn)行電流斬波控制時(shí)將其置為低電平，使HCF4098處于復(fù)位狀態(tài)不工作輸出端呈高電平。同時(shí)還將此引腳作為故障處理的一個(gè)控制端。圖4-3低速電流斬波電路4.4高速電壓斬波電路SR電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速運(yùn)行階段后，則控制方式就要切換到變角度的電壓斬波制方式。電壓斬波的實(shí)質(zhì)是進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，通過對PWM波的占空比的調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組端平均電壓的調(diào)節(jié)和速度閉環(huán)控制。PWM方案的選擇在充分發(fā)揮CPU潛力的同時(shí)，要兼顧功率開關(guān)器件的工作頻率，在功率開關(guān)

49、允許的圍提高PWM波的頻率能降低SRM的振動(dòng)和噪聲。80C196KC一共提供了6個(gè)HSO端口引腳，其中兩個(gè)引腳與HSI口復(fù)用。每個(gè)輸出口可以獨(dú)立輸出，且不受事件寫入先后順序的影響，只要事件到了觸發(fā)時(shí)間，對應(yīng)的數(shù)據(jù)線便能夠輸出規(guī)定的電平。如果HSO高速交替輸出高低電平，則它本生就是輸出PWM信號(hào)，不用新增控制線便能實(shí)現(xiàn)電壓斬波控制；若HSO根據(jù)位置傳感器信號(hào)的變化來確定輸出高低電平則它就是角度控制信號(hào)了。因?yàn)镠SO端口的時(shí)間寄存器是16位的，可以將PWM波做到最高具有16位分辨率，與硬件PWM線(8位寄存器)相比，可以大大提高PWM占空比的分辨率，僅從這一點(diǎn)上講它可以提高PWM的控制精度。通過在

50、程序中改變HSO復(fù)位定時(shí)器2事件的觸發(fā)時(shí)間，也就改變了PWM的頻率，有利于實(shí)現(xiàn)不同功率開關(guān)對PWM頻率的要求，提高了控制頻率的靈活性。4.5故障檢測電路SRD系統(tǒng)的故障檢測電路，是系統(tǒng)正常運(yùn)行的可靠保障，主要有過電壓保護(hù)和過熱保護(hù)，其基本電路如下：圖4-4過電壓檢測電路 圖4-5過熱保護(hù)電路如上圖4-4所示為過電壓檢測電路，當(dāng)直流側(cè)電源電壓Uss過高時(shí)，該電路將通過P0.0口向單片機(jī)發(fā)出故障信號(hào)。圖4-5所示為過熱保護(hù)電路，使用AD590溫度傳感器，這種傳感器的精密度較高，無需溫度補(bǔ)償，且抗干擾能力較強(qiáng)。AD590埋設(shè)在開關(guān)元件和整流橋的散熱片上面，用電阻R64見輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，

51、用電位器W來設(shè)定保護(hù)值，兩者相比較，判斷是否過熱。當(dāng)過熱時(shí)，過熱信號(hào)通過P0.1送入單片機(jī)，使單片機(jī)發(fā)出故障信號(hào)，防止過高溫度下電機(jī)被燒壞。4.6邏輯綜合電路 邏輯綜合電路的輸出信號(hào)經(jīng)光電隔離后，送入到功率放大器的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的IGBT產(chǎn)生動(dòng)作。下面以A相為例，說明邏輯綜合電路的控制原理。圖4-6 A相邏輯綜合電路 如上圖4-6所示，當(dāng)HSO.0、IAC和故障輸入信號(hào)都為高電平時(shí)，TLP521的輸入端截止，A相EXB841導(dǎo)通。4.7功率主電路本次設(shè)計(jì)采用電容分壓型主電路其電路圖4-7如下所示： 圖4-7功率主電路在圖中易看出，該功率變換器的每相只需要一個(gè)開關(guān)器件和一個(gè)續(xù)流二極管，它們上

52、下交替排布。電路在低速時(shí)采用CCC控制方式，高速時(shí)采用APC控制。電路由三相工頻交流電經(jīng)全波整流后供電，其直流供電電壓平均值約為513V。圖中，Rb是合閘時(shí)的保護(hù)電阻，避免在合閘時(shí)的浪涌電流過沖擊濾波電容。電機(jī)啟動(dòng)合閘，Rb被切除。VT和R21組成一個(gè)制動(dòng)放電電路，當(dāng)電容過電壓故障時(shí)，VT導(dǎo)通，電容能量能釋放到R21上，保護(hù)電容不被擊穿，而當(dāng)SR電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，VT和R21為繞組的電能回饋提供了可靠路徑。電容C1、C2起濾波和分壓的作用。電阻R22和R23能平衡電容C1、C2上的電壓，同時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)對電容放電。1交流電源的整流電路選用可選用Eupec公司生產(chǎn)的TT B6C 135 N三

53、相全控整流橋（1600V/137A），濾波電容選用兩只3900F/400V的電解電容串聯(lián)構(gòu)成雙電源。主開關(guān)器件選用MID300-12和MD300-12各兩只。SR電動(dòng)機(jī)的過載峰值電流約為147A，該IGBT電流額定值Ic為300A，Vces為1200V，滿足要求。驅(qū)動(dòng)電路選用富士公司的EXB841混合驅(qū)動(dòng)模塊。如下圖4-8所示，這是選用的驅(qū)動(dòng)電路圖， 圖4-8驅(qū)動(dòng)電路圖4.8 參數(shù)顯示與外部接口電路顯示電路是人機(jī)交流的重要途徑，而未接電路用來為輸入命令和數(shù)據(jù)以對SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)和控制，同時(shí)將SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、開通角on、關(guān)斷角off以與繞組電流等重要參數(shù)顯示出來。本次設(shè)計(jì)選用由8

54、279顯示接口芯片構(gòu)成的鍵盤顯示電路，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入和起動(dòng)、停車、制動(dòng)等命令的執(zhí)行與運(yùn)行信息顯示。因?yàn)?279單個(gè)芯片就能實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入和LED顯示控制功能，自動(dòng)消除開關(guān)抖動(dòng)，對顯示器自動(dòng)進(jìn)行掃描和按鍵識(shí)別，從而節(jié)省了微處理器的運(yùn)算時(shí)間，很大程度上提高了CPU的工作效率。4.9系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總的電路圖見附錄。在總圖中，只畫了A、C相的邏輯綜合電路，C、D相的邏輯綜合電路與此類似，在圖中未畫出。電壓保護(hù)電路的輸出由P1.1口輸出。當(dāng)過電壓時(shí)，P1.1口輸出電壓保護(hù)信號(hào)，經(jīng)光電隔離后輸入到VT的驅(qū)動(dòng)電路入口，如總圖中所示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。第5章 軟件設(shè)計(jì)5.1概述在前文中，已對系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行

55、了完整的設(shè)計(jì)，但硬件系統(tǒng)要想運(yùn)行速度快，且控制精確，亦離不開合理、完善的軟件支持。SRD系統(tǒng)最主要的控制容是起、停轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)速控制和保護(hù)控制。而對SR電動(dòng)機(jī)的進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，就是通過調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載相平衡，使其在功率允許圍的任何負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下，使SR電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速。在不同的轉(zhuǎn)速圍需要采用不同的控制方法，以滿足不同的調(diào)速需要。為了實(shí)現(xiàn)SRD系統(tǒng)對調(diào)速的要求，且實(shí)現(xiàn)各種高性能控制，軟件系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：（1）電機(jī)起動(dòng)時(shí)無起動(dòng)死區(qū)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)大于1.5；（2）能在線準(zhǔn)確計(jì)算并穩(wěn)定顯示電動(dòng)機(jī)的時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)速；（3）據(jù)本次電動(dòng)機(jī)參數(shù)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在50-2000rpm之間連續(xù)可調(diào)，在50-1500r

56、pm圍恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在1500-2000rpm圍能實(shí)現(xiàn)恒功率穩(wěn)定運(yùn)行；（4）能夠判斷故障源，并能在顯示器上顯示出來；（5）能通過按鍵實(shí)現(xiàn)起、停控制，并能預(yù)置轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。為了滿足以上要求，我們需制訂以下控制策略：在低速啟動(dòng)階段（0-50rpm），為實(shí)現(xiàn)SR電動(dòng)機(jī)快速可靠的起動(dòng)，采用兩相全開通方式。在每相繞組電感上升區(qū)段的30區(qū)間完全導(dǎo)通相繞組，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)與對應(yīng)相電感變化的曲線可知，在每一瞬間保證有有兩相繞組通電，此時(shí)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢比較小，只需對電流進(jìn)行斬波，將電流限制在最大允許值以，采用定角度定電流的控制方式即可。在中速階段（50-1500rpm），采用定角度斬波控制。通常所采用的方法是

57、固定關(guān)斷角on，然后，對不同的速度段采用不同的導(dǎo)通角off，通過電流斬波限制電流幅值，在此區(qū)域，由微控制器自動(dòng)通過調(diào)節(jié)off調(diào)節(jié)斬波電流的幅值，使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩能與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。在高速階段（1500-2000rpm），采用APC控制方式。這時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢己經(jīng)上升，繞組的導(dǎo)通電流將被削弱，一般采用通過自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)通角來對轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行控制，從而使電磁轉(zhuǎn)矩能與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。本次設(shè)計(jì)的樣機(jī)為小功率的SR電動(dòng)機(jī)，故在此區(qū)域以電壓PWM斬波為主，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)導(dǎo)通角on和關(guān)斷角off的進(jìn)行控制，故這種控制方式亦可稱之為變角度的電壓斬波控

58、制。本次設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)需要完成以下這些主要功能：（1）控制系統(tǒng)初始化。主要包括各種參數(shù)初始化、I/O口初始化、鍵盤和顯示器的初始化以與存儲(chǔ)區(qū)的初始化。（2）鍵盤與顯示器的管理。鍵盤與顯示器通過8279芯片的控制，和CPU接口完成控制參數(shù)的輸入和轉(zhuǎn)速、電壓、電流的顯示。（3）通過HIS中斷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測和，應(yīng)用軟件細(xì)分進(jìn)行轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算。（4）電機(jī)起動(dòng)，通過轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的組合邏輯判定通電相。（5）與時(shí)給出電流參考值以實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。（6）不同速度段不同控制方式之間的切換。（7）故障檢測與相應(yīng)處理。本次設(shè)計(jì)以SOC196KC為控制核心，相應(yīng)的控制程序也應(yīng)該與系統(tǒng)總體的總體設(shè)計(jì)思想和硬件電路緊密

59、融合在一起?？刂瞥绦虻脑O(shè)計(jì)思路采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)控制程序主要由主程序模塊、初始化模塊、起動(dòng)模塊、位置中斷模塊、控制算法模塊、PI調(diào)節(jié)模塊、軟件定時(shí)器中斷模塊和故障檢測與處理模塊等組成。主程序采用對各子模塊調(diào)用的形式，以不斷循環(huán)的結(jié)構(gòu)運(yùn)行，以便實(shí)現(xiàn)控制參量的輸入、運(yùn)行狀態(tài)的顯示、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。以下各節(jié)將著重以流程圖的形式，具體論述不同的程序模塊，并對能夠體現(xiàn)SRD系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想的重要程序模塊進(jìn)行詳細(xì)說明。1205.2主程序模塊主程序的主要功能是通過對各子程序模塊的調(diào)用，根據(jù)轉(zhuǎn)速對SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和控制狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，并且完成控制參數(shù)的輸入和顯示，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的閉環(huán)控制。主程序主

60、要包括系統(tǒng)的初始化和單片機(jī)電時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的判斷。系統(tǒng)初始化主要是初始化程序中的相關(guān)變量，如給定轉(zhuǎn)速等，同時(shí)設(shè)定CPU外部接口的工作方式與工作狀態(tài)，同時(shí)初始化CPU部的各功能部件，開放中斷，使系統(tǒng)開始準(zhǔn)備運(yùn)行。初始化后年進(jìn)行故障診斷，若無故障，則進(jìn)入起動(dòng)狀態(tài)；若有故障，則顯示故障類型，并進(jìn)入故障處理模塊，等待故障解除。主程序流程圖如下圖5-1所示。開始無故障？系統(tǒng)初始化鍵盤掃描轉(zhuǎn)速可用？電機(jī)起動(dòng)模塊故障保護(hù)和處理起動(dòng)？電機(jī)運(yùn)行控制NoYesNoYesYesNo故障類型顯示 圖5-1主程序流程圖在主程序流程圖中設(shè)有轉(zhuǎn)速是否可用的判斷，這一判斷主要是針對SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，同時(shí)從實(shí)際控制方便的角度進(jìn)行