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(编辑修改稿)

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(编辑修改稿)内容摘要：

，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： )。 ...,( 321 qj iiii 进一步考察 SR 电机能量流，有  ddLIILdtdIU jjJjjj 2)21( 22 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。 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 dtd ，根据力学原理，可以写出这时的转矩平衡方程式 LTKdtdJT   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中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 9 页 共 48 页 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 绕组电感 L 与转子位移角θ的关系 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 )。 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 10 页 共 48 页 电流斩波控 制（ CCC）方式 开关磁 阻电机在基速 b 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 on 、关断角 of ，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。 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 on 、关断角 of ，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on 与 of 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， on 与 of 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 of ，然后通过闭环调节 on。 对于调速范围较宽的，可以分段优化固定 of ，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，中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 11 页 共 48 页 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 24APC 控制时 T 和 QON Qff的关系 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 on 和 of ，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。 缺点在于导通角度始终固定，功率元件开关频率高，开关损耗大，影响了系统效率。 通过对以上几种控制方法的分析可知，不同的控制方法有不同的优点，也有不同 的适用范围，对应的电动机特性差异也很大，因此选择适当的控制方式是系统设计者的重要任务。 由于一般要求电动机转速范围较宽，负载转矩适用范围也较宽，中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 12 页 共 48 页 为了使电动机在各种不同工作条件下均具有较好的性能指标，一般可选用几种控制方式的组合来控制系统的运行，如高速时采用角度控制，低速时采用电流斩波控制，以利于发挥二者的优点。 综合考虑几种控制方式的适用范围和优缺点，本设 计采用了单一的控制方式脉宽调制 (PWM)控制方式。 图 PWM 斩波调压控制的电流波形 开关磁阻电动机的启动与制动 SR 电动机的优点之一是具有良好的起动性能 :起动转矩大，起动电流小，起动时间短。 SR 电动 机由静止不动到正常运转必须经历一个起动过程，与步进电动机不同， SR 电动机始终工作在有位置反馈的自同步状态，因此， SR电动机不存在步进电动机起动过程中因起动频率过高而引起失步导致起动失败的问题。 SR 电动机的起动比较简单，无需辅助设备，研究表明，三相或三相以上的 SR电动机可在任意转子位置正、反方向起动。 在起动瞬间 0r ，故旋转电动势为零，若加额定电压 Us 直接起动，相电流将过大，由此产生的过大动态冲击转矩可能会损坏电动机和传动机构，甚至烧毁电机绕组的开关器件，因此必须在起 动期间采用电流斩波控制方式限制起动电流的幅值。 此外，在负载极小的情况下可以配合 PWM 斩波实现软启动，或者实现低转速待机状态。 开关磁阻电动机的制动方式有其独到的特 点： ① 反 向制动，即给原转向状态相反的顺序通电。 这种方式可实现快速制动，缺点是对传动机构的扭矩冲击比较中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 13 页 共 48 页 大，不适合大负载的设备。 ② 外电阻制 动，开关控制外界一相电阻跨接电机绕组，利用绕组自身的反电动势形成方向转矩，达到制动的目的。 开关磁阻电动机的转矩脉动与噪声分析 SR 电动机运行时的噪声和振动严重制约了 SR 电动机的应用和发展。 与传统电机一样， SR 电机的噪声主要由三大部分组成 :机械噪声、空气动力噪声和电磁噪声。 理论分析和实验研究表明，机械噪声主要源于机械部件的质量，好的电机这方面的噪声是比较小的，机械噪声可以通过提高制造质量予以控制。 空气动力噪声由电机内的冷却风扇产生，主要由风扇的型式、风叶和通风道及进出口的结构设计决定，该噪声占整个噪声的比例一般是比较小的。 电磁噪声是 SR 电机噪声的主要组成部分，转子径向的单边磁拉力和转矩波动是噪声的主要来源，尤其是当径向磁拉力的谐波频率与定子固有频率一致时，将会产生严重的噪声和振动。 由于 SR 电机的转矩是波 动性质的，因此，转矩波动是导致 SR电机的噪声、振动的一个原因；但是随着研究的深入，各国学者发现，转矩波动只是电机噪声产生的原因之一，在某些电机实验中转矩波动导致的噪声甚至不是最主要的，因径向单边磁拉力而引起的电磁噪声在电机噪声中反而占据更大的比例。 当给 SR 电机一相绕组通电时，定子励磁极和转子磁极之间产生磁吸力，力图使磁路的磁阻最小。 磁吸力可分成两个方向的分量 :切向磁吸力和径向磁吸力，切向磁吸力正是所需要的使电机运行的电磁转矩。 径向磁吸力非但不能产生电机旋转所需要的电磁转矩，反而力图压缩定、转子间气隙。 径 向磁吸力也是一个脉动的力波，在齿对槽位置时最小，在齿对齿位置时最大。 在脉动的径向磁吸力作用下，转子由于可视为实心圆柱体，具有很好的刚性，因此基本不受影响；而定子是壳体结构，不可避免地形成压缩、扩张振动，可等效为由阻尼器、弹簧及质量所组成的系统，振动通过机壳向外发射噪声，构成 SR 电机噪声的根源之一，一旦径向磁吸力的谐波频率与定子的固有频率重合，噪声将会十分严重。 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 14 页 共 48 页 3 系统总体设计 本次毕设课题的主要任务是完成开关磁阻电动机控制系统的设计，达到基本的运转和调速的功能。 从硬件上来说本次设计主要分三大部分：信号采集 系统部分，主控系统部分和驱动系统部分。 那么信号采集部分和主控系统部分将是本次毕设任务的重点，预期要完成测速、速度显示、逻辑换相和调速这四项功能，系统框图如图 6。 图 硬件系统框图 4 信号采集系统设计 位置信号采集系统设计 位置传感器是开关磁阻电机的关键部件和特征部件。 作用是向单片机端口正确提供转子位置信息，依此对功率变换器进行控制，从而控制整个电机的运行。 转子位置检测的传感器可采用多种形式，如霍尔传感器、光电式传感器、接近开关式传感器、 谐振式传感器和高频耦合式传感器等。 本系统选用 SRD 中用得最多的简单可靠的光电式位置传感器，它由静止和转动两部分组成。 CG1 和 CG2 是光电断续器， R1R4 是限流电阻，其值一般为110K。 由于光电脉冲发生器输出的位置脉冲信号有一定的上升和下降沿，所以光电三极管输出电压经比较器整形后输出。 原理图如图 所示。 目标速度输入 单 片 机 运转命令输入 位置信号输入 速度显示 换相输出 PWM 波输出 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 15 页 共 48 页 图 光电转子位置检测器电路 表 光耦输出信号与转子位置关系 转子位置状态 导通相 ① ② ③ 正转 反转 0 0 1 A C 1 0 1 A B 1 0 0 C B 1 1 0 C A 0 1 0 B A 0 1 1 B C 电流信号采集系统设计 开关磁阻电机相电流检测是电流斩波控制方式运行的需要，也是过电流保护的需要。 单相、脉动以及波形随运行方式和运行条件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需具备如下特点 : (1) 快速性能好，从电流检测到控制主开关器 件动作的延时尽量小； (2) 被测主电路 (强电部分 )与控制电路 (弱电部分 )间应良好隔离，且有一定 的抗干扰能力 : 中北大学 20xx 届毕业设计说明书 第 16 页 共 48 页 (3) 灵敏度高，检测频带范围宽，可测含有多次谐波成分的直流电流； 对于三相开关磁阻电机，一般需要三个霍尔电流传感器来检测每一相的电流。