电动自行车用开关磁阻电动机控制器设计毕业设计说明书.docx
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电动自行车用开关磁阻电动机控制器设计毕业设计说明书
毕业设计说明书
电动自行车开关磁阻电动机控制器
学生姓名：
学号：
计算机与控制工程学院
学院：
电气工程及其自动化
专业：
指导教师：
电动自行车开关磁阻电动机控制器
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6/4极SRM为研究对象，完成了以单片机为核心组成的调速系统设计方案，系统采用PWM控制方式，选用三相全桥式功率驱动器主电路，主开关器件选用功率MOSFET，设计了以单片机AT89C51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。
同时本设计采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Protues软件,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
Electricbicycleswitchedreluctancemotorcontroller
Abstract
Switchedreluctancemotordrivesystem（SRD）withtherapiddevelopmentofpowerelectronics,computer,microelectronicsandtheemergenceofanewMechatronicssteplessspeedregulatingsystem,itwillswitchreluctancemotor,powerelectronicstechnology,controltechnologyintegrationasawholenotonlykeepsthenotablecharacteristicsofthestructureofACasynchronousmotorissimple,firmandreliableandtheadvantagesofDCmotorcontrolledbutalsohasACspeedcontrolsystemofDCspeedregulatingsystemisunabletocompare.Thethree-phase6/4pole7.5kWSRMastheresearchobject,completedthesingle-chipmicrocomputerasthecorecomponentofspeedcontrolsystemdesign,systemadoptsPWMcontrolmode,selectionofthree-phasefullbridgepowerdrivercircuit,mainswitchselectsIGBT,designtheSTC89C51MCUasthecorecontroller,mainlyofcurrentdetection,positiondetection,faultprotectionanddisplaycircuitandotherperipheralcircuitsaredesignedwithcurrentprotectionfunction.Atthesametime,thisdesignadoptsamodularizedprogrammingmethod,whichenhancesthereadabilityandoperabilityoftheprogram..Basedonthequasilineardynamicmodelofswitchedreluctancemotor,MATLAB/SIMULINKisusedtosimulatetheswitchedreluctancemotor..Furtherimprovementofthesystemlaidthefoundation..ThesimulationresultsachievedtheexpectedSRDcontroleffect.Thewiththedesignofswitchedreluctancemotorcontrolsimulationtest,thepreliminaryexperimentalresultsareobtained.Intheaspectsofsoftwareandhardwareforlaterswitchedreluctancemotorcontrolsystemofthesubjectresearchofbeneficialexplorationandpractice.
Keywords:
switchedreluctancemotor;SCM;powerdriver;speedcontrolsystem
1开关磁阻电动机概述
新一代的调速电机，开关磁阻电机调速系统（SwitchedReluctanceDrive简称SRD）是从20世纪80年代中期逐步发展起来的，开关磁阻电机具有结构简单、坚固的优点，因为其构成的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，如果不采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，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，另外一方面，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已开始广泛应用于工，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，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电动机的发展开始于20世纪60年代，电子工业的发展给电气传动领域提供了可靠、低廉、多功能的控制器件。
60年代末，J.Jarret提出了增加饱和度有利提高磁阻电动机出力的观点，从而SR电机得到迅速的发展。
在相当长的一段时期内，磁阻电机的研究处于对其运行原理和性能特性的探索和论证。
在国外，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（SwitchedReluctanceDrive）。
它的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，适合于作蓄电池供电的电动车辆传动。
1981年，英国TASC公司（TASCDrivesLtd.）获准制造该系统，在1983年推出开关磁阻电机驱动系统（SwitchedReluctancemotorDriveSystem，简称SRD系统）的系列产品，取名为OULTON，调速范围为30—
3000/rmin，容量范围为4—22kW。
这一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着超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。
1985年研制成200kW的样机，最大转速为10000r/min，美国开发了用于航空航天方面的SRD系统，转速可达25000r/min。
在国内，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、哈尔滨电工学院，并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7.5kW的SRD系统；1987年，北京纺织机械研究所和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电机已应用于煤矿的采煤机，并且开始进行180kw的SR电机在地铁机车上的应用研制。
近20年来，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，作为一种新型调速驱动系统，研究的历史较短，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几个年代的开发推广，目前领先一步，其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是由开关磁阻电动机、功率驱动器、控制器和检测器四部分组成如图1.1。
图1.1SRD系统基础构成
从产品结构看，系统通常由SR电机和驱动器两部分组成，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。
1．开关磁阻电动机
开关磁阻电动机（简称SRM）SRD中实现机电能量转换的部件也是SRD有别于其他电动机驱动系统其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是由磁拉力作用产生具有磁阻性质电磁转矩采用双凸极结构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。
所以功率驱动器包括由整流器所产生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的分类主要取决功率驱动器。
3．控制器
控制器是整个调速系统的核心，起着决策和指挥作用。
根据控制器中设定好的控制策略及其相应的算法，把外部反馈的电流、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，所以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电路，从而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，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该具有快速性好，灵敏度高，单向电流检测，线性度好，抗干扰的优点。
1.3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电机的结构甚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，维护起来方便，绝缘容易。
同时其转子机械强度很高，可用于超高速运转（10000r/min）。
一般来说，中小SRD，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，在一定转角范围内产生电磁转矩。
在控制结构上看，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。
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，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。
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，关断顺序来进行控制。
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来调节电机转速。
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，电流变化率大，为避免电流上升过快，超过允许的最大电流，可采取斩波方式来限制电流。
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来控制电机转速。
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。
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
SR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来。
这个作用力就是磁阻电机运行的原动力—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。
目前应用较多的是三相6/4极结构、四相8/6极结构和三相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2.1SR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
SR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。
当定子某相绕组通电时，所产生的磁阻由于慈利县扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子及轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。
图2.1三相6/4极SR点攻击的结构原理图
下面以图2.1所示的三相6/4极SR电动机为例说明SR电动机的工作原理。
当A相通电时,因磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，扭曲磁力线产生的切向力带动转子转动，最总将使转子1-3极轴线与定子AA1极轴线对其，A相断电，C相通电，则使转子顺时针旋转，最终使转子2-4级轴线与定子CC1极轴线对齐，转子顺时针转过30°。
C相断电，B相通电，则使转子顺时针转过30°，最终使转子1-3极轴线与定子BB1极轴线对齐。
在一个通电周期内，转子在空间转过30x30°，即一个转子齿极距。
如此循环往复，定子按A→C→B→A...的顺序通电，电机便沿顺时针方向旋转。
如定子按A→B→C→A...的顺序通电，电机便沿逆时针方向旋转。
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电机第j相的电动势平衡方程式：
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
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，一般都采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θ的关系如图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θ=0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2.2绕组电感L与转子位移角θ的关系
2.3开关磁阻电动机的调速控制方式
开关磁阻电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，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，又叫单脉冲控制）、电流斩波控制（CCC，又叫电流PWM控制）、电压斩波控制（CVC，又叫电压PWM控制）。
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
、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，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。
2.3.2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
，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
的组合非常多，使得控制参数的选择较为复杂，这就存在一个角度位置控制参数优化的问题。
优化的目标可以是恒功率下转矩最优，也可以是效率最优，以及其它目标。
优化目标不同，
与
的最优组合往往也不同。
因此角度位置控制往往需要按照控制性能目标事先对控制参数进行优化，优化的方法有仿真、实验测量等。
实际采用的APC调节法，一般都先优化固定
，然后通过闭环调节
。
对于调速范围较宽的，可以分段优化固定
，然后再对其进行调节。
角度控制也称单脉冲控制，因为开通期间内开关元件始终导通。
这种方式比较简便，但这种方式中相电流是不可控，其变化率很大，对于开通角和关断角的微小变化都十分敏感，在调节上也存在一定的困难。
因此，这种方式比较适合在短时间里快速达到期望电流的场合，如较高机械转速下的控制。
图2-4APC控制时T和QONQff的关系
2.3.4脉宽调制控制（PWM）方式
脉宽调制（PWM）控制方式的实质是通过调节绕组两端的励磁电压来控制电磁转矩。
具体方法是固定
和
，用PWM信号调制主开关器件相控信号，通过调节PWM信号的占空比，从而调节励磁电压加在相绕组上的的有效时间宽度，改变相电压的有效值，进而改变输出转矩。
PWM方式可控性较好，在基速以上或基速以下的范围都可以应用，适用于转速调节系统。
通过对转速的给定值和实际转速的反馈值之差进行PI运算，调节PWM信号占空比，达到转速快速响应。
缺点在于导通角度
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