基于51单片机的开关磁阻电动机控制系统设计

基于51单片机的开关磁阻电动机控制系统设计内容摘要：

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。 因此本系统可以构成可靠性很高的系统。 ，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。 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。 ，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。 ，调速范围宽。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 5 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。 ，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。 开关磁阻电动机的应用场合 由其性能特点，开关磁阻电动机可以在许多场合得到应用： 在要求快速正反转的一些工业应用中，如纺织印染业，要求电动机反应速度要快，其反应时间不得大于 秒，电动机要能长期地、连续地、频繁地处于正、 反转交替变换的工作 状态，电动机要有能在较宽广的范围内无级调速的性能，电动机能长期地在湿、热的环境中 工作。 这时候，使用开关磁阻电机能收到意想不到的良好效果。 还有在要求转速高度稳定的一些工业应用中，如化纤行业，开关磁阻调速电动机具有良 好的同步性能，而且不存在电刷磨损（如直流电动机）或恒磁体退化（如永磁同步电动机）的问题，可长期可靠工作。 开关磁阻调速电动机良好的调速性能、宽广的调速范围、比较小的起动电流获得较大的起动转矩、对称的四象限运行特性等一系列突出优点，对于满 足龙门刨主传动的高技术要求 提供了完全的可行性。 开关磁阻电动机的控制系统设计 6 利用开关磁阻调速电动机恒转矩特性好、动态响应特性好的优点，将其应用于数控机床主轴直驱系统，取得了成功。 这为我国普及型小型数控机床的主轴驱动提供了一种性价比很高的新动力。 空调、冰箱、洗衣机等家电发展的总趋势是采用具有现代调速系统的电动机来取代 无 调速的电动机。 这里最具资格的当数无刷直流电动机调速系统和开关磁阻调速电动机系统。 而在性价比上开关磁阻调速电动机系统还占有一定的优势。 、船 驱动控制系统中的应用 开关磁阻调速电动机高效、节能、调速范围宽、启、制动特性卓越，显然是电动车驱动与控制系统的理想动力。 国外已将 SRD 在电瓶车、铲车、无轨电车、电动轿车、城市轻轨列车等方面进行广泛应用，其优势已经明显凸现出来，国内这方面的研究开发也已取得了显著的成效。 将开关磁阻调速电动机应用于水域的船只驱动上，可以避免机油、汽油、柴油对水域的污染，还可以大大减少噪 声污染，这同样是一个很有前途的应用领域。 开关磁阻调速电动机还可以用在其他许多领域，这需要相关人士更多的努力。 相信开关磁阻调速电动机技术一旦普 及和推广，一定会取得良好的经济效益和社会效益。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 7 2 开关磁阻电动机的原理 与控制 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 21 所示的结构类型。 目前应用较多的是四相 8/6 级结构 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 21 所示。 表 21 SR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 电机可以根据转矩的产生机理粗略的分为两大类 :一类是由电磁作用原理产生转矩；另一类则是由磁阻变化原理产生转矩。 在第一类电机中，运动是定、转子两个磁场相互作用的结果。 这种相互作用产 生开关磁阻电动机的控制系统设计 8 使两个磁场趋于同向的电磁转矩。 类似于两个磁铁的同极相斥、异极相吸 的现象。 目前大部分电机都遵循这一原理，如一般的直流电机和交流电机 (包括永磁类电机 )。 而 在第二类电机中，运动是由定、转子间气隙磁阻的变化产生的。 当定子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布要遵循 “磁阻最小原则 ”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。 因此，当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上并产生转距使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置。 类似于磁铁吸引铁质物体的现象。 开关磁阻电机就属于这一类型的电机。 下面就以常用的三相 12/8 极开关磁阻电机为例进一步阐释其运行机理。 如图 21 所示，具 体工作过程如下 : 图 21 开关磁阻电机的典型结构原理图 图 21 画出了 A 相绕组及其供电电路，其余各相与此相相同。 结构上与步进电动机相似的 SR 电动机的运行原理亦遵循 “磁阻最小原理 ”一一磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线与磁场的轴线重合。 在图 22 示位置，当定子一极受到励磁时，电机内建立以定子对角线为轴线的磁场，其磁通经过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子轭闭合。 此时穿过气隙的磁力线是弯曲的，磁阻大于定、转子轴线重合时 的磁阻，因此转子将受到弯曲磁力线切向分力所产生的转矩的作用，而沿逆时针方向转动。 当转子极轴线与定子极轴线重合时，此相励磁绕组的电感达到最大值，转子达到稳定平衡位置，切向磁力消失，如果转子上无外部驱动转矩，则需要将下一相导通，以维持转距，如此逐相导通，电机将连续转动作电动机运行。 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 9 图 22 开关磁阻电机一相通电的磁场情况 由通电磁场情况得出开关磁阻电动机的正反转与定子极的通电顺有关，而与相绕组的电 流方向无关。 为了更加清楚地理解开关磁阻电机的基本原理，本文将开关磁阻电机与步进电机和自整步同步电机作了比较，见表 22。 由此可见，开关磁阻电机是现代电力电子技术、控制技术综合发展的产物。 表 22 开关磁阻电机与三种类似电动机比较 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。 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 类比 第一组 步进电机 不同点 开关磁阻电机 第二组 开环控制会丢失步，角度精密传动 转子无需励磁，定子绕组采用直流脉冲供电 均为双凸极结构，转子无励磁。 都各相的通电顺序得到正反转 位置和速度的闭环控制，不单是功率型驱动电机 相同点 开关磁阻电机 自整步电机 都采用转子位置闭环控制的自控变频器供电 转子需励磁定子多组交流电励磁 开关磁阻电动机的控制系统设计 10 电机第 j 相的电动势平衡方程式： dtdIRU jjjj  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： )。 .. .,( 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 23 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 沈阳航空航天大学毕业设计（论文） 11 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 23 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，比如最常见的 PI 或 PID 调节、模糊控制等；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 )。 开关磁阻电动机的控制系统设计 12 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 off ，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 24。 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。