基于單片機(jī)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是磁阻電動(dòng)機(jī)與電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制器組成的控制裝置，又稱開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Switched Reluctance Motor drive,簡稱SRD)。電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，運(yùn)行可靠，系統(tǒng)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、啟動(dòng)電流低、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行效率高，特別適用于頻繁啟停及正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，使得SRD成為交，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)有力競爭者。目前，SRD已用于多個(gè)領(lǐng)域，如：電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、家用電器、伺服與調(diào)速系統(tǒng)等許多領(lǐng)域。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以80C196單片機(jī)為控制核心的SRD的控制系統(tǒng)，充分利用了SRD電機(jī)控制方式靈活的特點(diǎn)，采用數(shù)字化控制系統(tǒng)對SR電機(jī)進(jìn)行控制，簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 SR電機(jī)工作原理

SR電機(jī)運(yùn)行原理遵循磁阻最小原理——磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產(chǎn)生切向的磁拉力，當(dāng)具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合。典型的SR電機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

具體過程如下：當(dāng)A相繞組電流控制開關(guān)S1，S2閉合時(shí)，A相勵(lì)磁，所產(chǎn)生的磁場力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子軸線與定子軸線重合的位置，從而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。順序給A-B-C-D相繞組通電(B、C、D各相繞組在圖中未畫出)，則轉(zhuǎn)子便按逆時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來。反之，依次給B-A-D-C相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會(huì)按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 SR電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

由于是磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，SR電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，僅取決于相繞組的通電順序，這使得能夠簡化功率變化器電路，當(dāng)S1或S2閉合時(shí)，A相繞組從電源上吸收電能，而S1或S2斷開時(shí)，繞組電流通過二極管VD1、VD2將剩余能量回饋給電源，因此SR電機(jī)具有能量回饋的特點(diǎn)，系統(tǒng)效率高。

2 SRD系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)基本組成

SRD系統(tǒng)主要由四部分組成：開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器及傳感器。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 SRD基本組成結(jié)構(gòu)圖

SR電動(dòng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，采用雙凸極結(jié)構(gòu)的磁阻的電機(jī)、功率變換器向SR電動(dòng)機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的能量，位置檢測器是轉(zhuǎn)子位置及速度等信號(hào)的提供者，控制器是系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信號(hào)，從而控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的最終控制。

2.2 功率變換電路

本文采用的是四相8/6極磁阻電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，功率電路采用H型的功率電路，如圖3所示。A，B，C，D為SR電機(jī)的四相繞組，VD1～VD4為續(xù)流二極管，AB，CB，CD，AD兩相同時(shí)導(dǎo)通，循環(huán)導(dǎo)通工作。若V1，V3同時(shí)導(dǎo)通，則A，B相通電。若V1關(guān)斷，V2閉合，則A相關(guān)斷，C相開始導(dǎo)通，此時(shí)，A相繞組將通過二極管VD1續(xù)流，C相繞組也將構(gòu)成回路，使B相電流增大，中性點(diǎn)電位必然增高，促使A相續(xù)流迅速衰減，強(qiáng)行換相。緊接著關(guān)斷V1，開通V4，則C，D相導(dǎo)通，依次循環(huán)導(dǎo)通，電機(jī)就連續(xù)工作起來。其*率開關(guān)用PWM控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行控制其通斷。

圖3 功率電路原理圖

2.3控制電路結(jié)構(gòu)

控制電路部分主要包括80C196單片機(jī)，角度位置檢測電路，顯示鍵盤電路以及接口電路。在控制電路中，單片機(jī)是核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、處理數(shù)據(jù)。角度位置檢測電路通過光電傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，并將位置信號(hào)處理好后送給功率變換器和顯示電路部分顯示系統(tǒng)信息。8279接口電路負(fù)責(zé)CPU和顯示鍵盤部分的信息交換。系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，用戶通過鍵盤給定轉(zhuǎn)速，單片機(jī)接收到轉(zhuǎn)速指令后通過與實(shí)際測的速度相比較，通過內(nèi)部設(shè)定的控制算法輸出一個(gè)占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，這個(gè)PWM信號(hào)使得在SR電機(jī)的相繞組兩端電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。

3 SRD系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由單片機(jī)處理軟件和PC上位機(jī)控制軟件組成。

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

開關(guān)磁阻電機(jī)控制軟件以控制系統(tǒng)硬件為依托。完成對位置信號(hào)，輸入給定信號(hào)及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的檢測，進(jìn)行判斷和計(jì)算，輸出合適的電流控制與換相控制信號(hào)。它由前臺(tái)程序和后臺(tái)程序組成，如圖4所示。其中后臺(tái)程序包括初始化程序，鍵盤掃描程序，調(diào)速控制程序，顯示程序，閑時(shí)循環(huán)程序。前臺(tái)程序由四個(gè)中斷程序組成，它們位置中斷程序、軟件定時(shí)器中斷，外部中斷及串行口中斷程序。

圖4 開關(guān)磁阻電機(jī)控制程序流程

初始化程序完成有關(guān)單元初始化，選擇外部接口的工作方式，CPU各部分功能部件初始化，開啟中斷等，使整個(gè)系統(tǒng)處于準(zhǔn)備運(yùn)行狀態(tài)。鍵盤掃描程序檢查鍵盤的輸入情況，并進(jìn)行相應(yīng)的軟件去抖動(dòng)處理，當(dāng)確實(shí)有鍵按下時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的判斷，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)。調(diào)速控制程序根據(jù)給定速度，并根據(jù)電機(jī)的狀態(tài)完成電機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)，當(dāng)在運(yùn)行時(shí)根據(jù)速度的偏差輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)。顯示程序主要完成電機(jī)在面板控制方式下的信息顯示。電機(jī)啟動(dòng)前閃爍顯示給定轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)后給定實(shí)際轉(zhuǎn)速，運(yùn)行過程中若出現(xiàn)故障，則顯示故障性質(zhì)代碼。閑時(shí)循環(huán)程序由電源檢測程序、硬件故障檢測、故障處理及對上位機(jī)的命令分析程序組成。

位置中斷程序即兩個(gè)位置傳感器輸出的方波信號(hào)的上升沿和下降沿均引起中斷，即電機(jī)每轉(zhuǎn)過15°就產(chǎn)生依次中斷。該程序主要完成運(yùn)行速度檢測、換相控制以及運(yùn)行模式的切換。定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)主循環(huán)定時(shí)，電流采樣，電流斬波等功能。而外部中斷程序則實(shí)現(xiàn)外部鍵盤輸入功能。串行口中斷則是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信。

系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)單片機(jī)接到啟動(dòng)命令時(shí)，，在檢測系統(tǒng)狀態(tài)一切正常的情況下，根據(jù)位置傳感器所提供的轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，按啟動(dòng)邏輯給出相應(yīng)的輸出信號(hào)，該信號(hào)通過功率變換器向電機(jī)繞組供電，使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，控制電路根據(jù)位置傳感器信號(hào)的變化通過功率變換器使電動(dòng)機(jī)通電相位改變。運(yùn)行時(shí)，根據(jù)給定速度與實(shí)際速度之間的誤差輸出占空比可以調(diào)節(jié)的PWM控制信號(hào)。當(dāng)操作命令改變時(shí)，如反轉(zhuǎn)，停車，制動(dòng)時(shí)，控制電路再次改變工作邏輯，通過功率變換器使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)操作要求。若在運(yùn)行中出現(xiàn)故障情況，控制電路將通過關(guān)斷功率變換器實(shí)現(xiàn)保護(hù)，并且通過顯示電路顯示故障代碼。

2 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件使用VB語言開發(fā)，它的作用是通過串口命令控制單片機(jī)工作，并顯示實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速。應(yīng)用該軟件，可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停車、制動(dòng)以及給定具體轉(zhuǎn)動(dòng)速度。軟件的運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 軟件運(yùn)行界面

4 小結(jié)

本系統(tǒng)采用80C196KC16位單片機(jī)為核心，配以8279等外圍接口芯片構(gòu)成檢測、給定、顯示、保護(hù)等外圍電路，再加上驅(qū)動(dòng)電路、主電路及磁阻電動(dòng)機(jī)構(gòu)成完整的SRD系統(tǒng)。對一臺(tái)2KW的開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固、調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能優(yōu)異、而且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有很高的效率，系統(tǒng)可靠性高，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。