電動(dòng)自行車用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 ，各相繞組的磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位移角和各相繞組電流的函數(shù)，故磁鏈為： )。...,( 321 ?qj iiii??? 進(jìn)一步考察 SR 電機(jī)能量流，有 ??? ?ddLIILdtdIU jjJjjj 2)21( 22 上式表明，輸出功率的一部分轉(zhuǎn)為磁場儲(chǔ)能增量，另一部分則為輸出的機(jī)械功率，可以說 SR 電機(jī)正是利用其不斷的能量儲(chǔ) 存，轉(zhuǎn)換而獲得高效、大功率的性能。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 T 與作用于電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相符時(shí)，轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生變化 產(chǎn)生角加速度 dtd? ，根據(jù)力學(xué)原理，可以寫出這時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式 LTKdtdJT ????? ? 由于電路、磁路的非線性和開關(guān)性，使得上述方程組很難計(jì)算，通常需要根據(jù)具體運(yùn)行狀態(tài)和研究目的進(jìn)行必要的簡化，一般都采用線性模型進(jìn)行簡化，線性模型有利于 對(duì) SR 電 機(jī)的定性分析了解其運(yùn)行的物理狀況、內(nèi)部各物理量的基本特點(diǎn)和相互關(guān)系。 在線性模型中作如下假設(shè)； (1) 忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，且磁通率，因此繞組電感 L 是轉(zhuǎn)子位置的分段線性函數(shù)。 (2) 忽略所有功率損耗。 (3) 功率管開關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成。 (4) 電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。 在上述假設(shè)條件下的電機(jī)模型為理想線性模型，繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系如圖 3 所示。圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角 (機(jī)械角 )，它的基準(zhǔn)點(diǎn)即坐標(biāo)原中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 48 頁 點(diǎn)θ =0 的位置，對(duì)應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，這時(shí)相電感為最小值， 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過半個(gè)極距時(shí)，該相定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對(duì)齊，電感為最大值， 隨著定、轉(zhuǎn)子磁極重疊的增加和減少，相電感則在和線性地上升和下降。 圖 繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化裝置。雙凸極磁阻電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行離不開可控的開關(guān)電路控制器。而每個(gè)控制器功能的實(shí)現(xiàn)都離不開合理的控制策略，本節(jié)著重研究開關(guān)磁阻電機(jī)的控制原理，介紹各種調(diào)速控制方案。該系統(tǒng)的控制具有兩個(gè)層面 :一是，電機(jī)控制層面，即通過調(diào)節(jié)電機(jī)自身的參數(shù)改變電機(jī)的運(yùn)行特性，這一層關(guān)系是直接的；二是，系統(tǒng)控制層面，這個(gè)層面是將控制策略應(yīng)用于開關(guān)磁 阻電機(jī)及其外圍的設(shè)備 (控制器、信號(hào)檢測裝置等 )，并使之為達(dá)到某一控制目標(biāo)協(xié)同運(yùn)作，這種控制是通過功率變換器間接作用在電機(jī)之上的。這個(gè)層面上的控制是種通用技術(shù)， 能夠應(yīng)用在其它電機(jī)上的控制理論基本上都可以應(yīng)用在開關(guān)磁阻電機(jī)上，而電機(jī)層面上的控制則是開關(guān)磁阻電機(jī)所特有的，下文將對(duì)其具體控制策略加以總結(jié)和討論。 SR 電機(jī)的可控變量一般有施加于相繞組兩端的電壓 U、相電流 I、開通角和關(guān)通角等。開關(guān)磁阻電機(jī)的控制簡單的說就是對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)上述控制參量的不同，主要可分為以下三種控制方式 :角度位置控制 (APC，又叫單脈沖控制 )、電流斬波控制 (CCC，又叫電流 PWM 控制 )、電壓斬波控制 (CVC，又叫電壓 PWM 控制 )。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 共 48 頁 電流斬波控 制（ CCC）方式 開關(guān)磁 阻電機(jī)在基速 b? 以下運(yùn) 行時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較慢，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較小，繞組電 流上升率較大，為避免過大的電流和磁鏈峰值，獲得恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，采用電流斬波控制（ CCC） 方式。電流斬波控制是通過固定開通角 on? 、關(guān)斷角 of? ，通過主開 關(guān)器件的多次導(dǎo)通關(guān)斷將電流限制在給定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制。CCC 控制方式下的相電流波形見圖 4。顯然，當(dāng)固定開通、關(guān)斷角時(shí)，調(diào)節(jié)斬波就相當(dāng)于調(diào)節(jié)關(guān)斷角，或者說是電流開通區(qū)間的長度。但是它們之間也有不同之處， APC 方式下電流的不可控相比， CCC 方式是直接對(duì)電流實(shí)施控制，通過適當(dāng)誤差帶的設(shè)置可以獲得較為精確的控制效果。因此， CCC 方式同樣具有簡單直接，可控性好的特點(diǎn)，也避免了 APC 方式中的“敏感”問題，與后面的電壓PWM 方式相比，也具有較小的開關(guān)損耗，是比較常用的控制方式。只是這種控制下，電流的斬波頻率不固定 ，它隨著電流誤差變化而變化，不利于電磁噪聲的消除。 角度位置控制 （ APC） 方式 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在基速至第二臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢較大，繞組電流上升率低，電流較小，為獲得恒功率機(jī)械特性，常采用角度位置控制方式。角度位置控制方式是調(diào)節(jié)開 通角 on? 、關(guān)斷角 of? ，改變相 繞組相對(duì)于電感位置的勵(lì)磁區(qū)域，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。角度位置控制的控制非常靈活，但on? 與 of? 的組合非常多，使得控制參數(shù)的選擇較為復(fù)雜，這就存在一個(gè)角度位置控制參數(shù)優(yōu)化的問題。優(yōu)化的目標(biāo)可以是恒功率下轉(zhuǎn)矩最優(yōu)，也可以是效率最優(yōu)，以及其它目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)不同， on? 與 of? 的最優(yōu) 組合往往也不同。因此角度位置控制往往需要按照控制性能目標(biāo)事先對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的方法有仿真、實(shí)驗(yàn)測量等。實(shí)際采用的 APC 調(diào)節(jié)法，一般都先優(yōu)化固定 of? ，然后通過閉環(huán)調(diào)節(jié) on? 。對(duì)于調(diào)速范圍較寬的，可以分段優(yōu)化固定 of? ，然后再對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。角度控制也稱單脈沖控制，因?yàn)殚_通期間內(nèi)開關(guān)元件始終導(dǎo)通。這種方式比較簡便，中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 48 頁 但這種方式中相電流是不可控，其變化率很大，對(duì)于開通角和關(guān)斷角的微小變化都十分敏感，在調(diào)節(jié)上也存在一定的困難。因此，這種方式比較適合在短時(shí)間里快速達(dá)到期望電流的場合，如較高機(jī)械轉(zhuǎn)速下的控制。 圖 24APC 控制時(shí) T 和 QON Qff的關(guān)系 脈寬調(diào)制控制 （ PWM） 方式 脈 寬調(diào)制 (PWM)控制方式的實(shí)質(zhì)是通過調(diào)節(jié)繞組兩端的勵(lì)磁電壓來控制電磁轉(zhuǎn)矩。具體方法是固定 on? 和 of? ，用 PWM 信號(hào)調(diào)制主開關(guān)器件相控信號(hào)，通過調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)的占空比，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓加在相繞組上的的有效時(shí)間寬度，改變相電壓的有效值，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。 PWM 方式可控性較好，在基速以上或基速以下的范圍都可以應(yīng)用，適用于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過對(duì)轉(zhuǎn)速的給定值和實(shí)際轉(zhuǎn)速的反饋值之差進(jìn)行 PI 運(yùn)算，調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)占空比，達(dá)到轉(zhuǎn)速 快速響應(yīng)。缺點(diǎn)在于導(dǎo)通角度始終固定，功率元件開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗大，影響了系統(tǒng)效率。 通過對(duì)以上幾種控制方法的分析可知，不同的控制方法有不同的優(yōu)點(diǎn)，也有不同 的適用范圍，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)特性差異也很大，因此選擇適當(dāng)?shù)目刂品绞绞窍到y(tǒng)設(shè)計(jì)者的重要任務(wù)。由于一般要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬，負(fù)載轉(zhuǎn)矩適用范圍也較寬，中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 48 頁 為了使電動(dòng)機(jī)在各種不同工作條件下均具有較好的性能指標(biāo)，一般可選用幾種控制方式的組合來控制系統(tǒng)的運(yùn)行，如高速時(shí)采用角度控制，低速時(shí)采用電流斬波控制，以利于發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮幾種控制方式的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè) 計(jì)采用了單一的控制方式脈寬調(diào)制 (PWM)控制方式。 圖 PWM 斬波調(diào)壓控制的電流波形 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng) SR 電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是具有良好的起動(dòng)性能 :起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，起動(dòng)時(shí)間短。 SR 電動(dòng) 機(jī)由靜止不動(dòng)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)必須經(jīng)歷一個(gè)起動(dòng)過程，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同， SR 電動(dòng)機(jī)始終工作在有位置反饋的自同步狀態(tài)，因此， SR電動(dòng)機(jī)不存在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中因起動(dòng)頻率過高而引起失步導(dǎo)致起動(dòng)失敗的問題。SR 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)比較簡單，無需輔助設(shè)備，研究表明，三相或三相以上的 SR電動(dòng)機(jī)可在任意轉(zhuǎn)子位置正、反方向起動(dòng)。 在起動(dòng)瞬間 0?r? ，故旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢為零，若加額定電壓 Us 直接起動(dòng)，相電流將過大，由此產(chǎn)生的過大動(dòng)態(tài)沖擊轉(zhuǎn)矩可能會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，甚至燒毀電機(jī)繞組的開關(guān)器件，因此必須在起 動(dòng)期間采用電流斬波控制方式限制起動(dòng)電流的幅值。此外，在負(fù)載極小的情況下可以配合 PWM 斬波實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，或者實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速待機(jī)狀態(tài)。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方式有其獨(dú)到的特 點(diǎn)： ① 反 向制動(dòng)，即給原轉(zhuǎn)向狀態(tài)相反的順序通電。這種方式可實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，缺點(diǎn)是對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的扭矩沖擊比較中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 48 頁 大，不適合大負(fù)載的設(shè)備。 ② 外電阻制 動(dòng)，開關(guān)控制外界一相電阻跨接電機(jī)繞組，利用繞組自身的反電動(dòng)勢形成方向轉(zhuǎn)矩，達(dá)到制動(dòng)的目的。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲分析 SR 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲和振動(dòng)嚴(yán)重制約了 SR 電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。與傳統(tǒng)電機(jī)一樣， SR 電機(jī)的噪聲主要由三大部分組成 :機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和電磁噪聲。 理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，機(jī)械噪聲主要源于機(jī)械部件的質(zhì)量，好的電機(jī)這方面的噪聲是比較小的，機(jī)械噪聲可以通過提高制造質(zhì)量予以控制?？諝鈩?dòng)力噪聲由電機(jī)內(nèi)的冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生，主要由風(fēng)扇的型式、風(fēng)葉和通風(fēng)道及進(jìn)出口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，該噪聲占整個(gè)噪聲的比例一般是比較小的。電磁噪聲是 SR 電機(jī)噪聲的主要組成部分，轉(zhuǎn)子徑向的單邊磁拉力和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是噪聲的主要來源，尤其是當(dāng)徑向磁拉力的諧波頻率與定子固有頻率一致時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲和振動(dòng)。 由于 SR 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是波 動(dòng)性質(zhì)的，因此，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是導(dǎo)致 SR電機(jī)的噪聲、振動(dòng)的一個(gè)原因；但是隨著研究的深入，各國學(xué)者發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)只是電機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因之一，在某些電機(jī)實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)導(dǎo)致的噪聲甚至不是最主要的，因徑向單邊磁拉力而引起的電磁噪聲在電機(jī)噪聲中反而占據(jù)更大的比例。 當(dāng)給 SR 電機(jī)一相繞組通電時(shí)，定子勵(lì)磁極和轉(zhuǎn)子磁極之間產(chǎn)生磁吸力，力圖使磁路的磁阻最小。磁吸力可分成兩個(gè)方向的分量 :切向磁吸力和徑向磁吸力，切向磁吸力正是所需要的使電機(jī)運(yùn)行的電磁轉(zhuǎn)矩。徑向磁吸力非但不能產(chǎn)生電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需要的電磁轉(zhuǎn)矩，反而力圖壓縮定、轉(zhuǎn)子間氣隙。徑 向磁吸力也是一個(gè)脈動(dòng)的力波，在齒對(duì)槽位置時(shí)最小，在齒對(duì)齒位置時(shí)最大。在脈動(dòng)的徑向磁吸力作用下，轉(zhuǎn)子由于可視為實(shí)心圓柱體，具有很好的剛性，因此基本不受影響；而定子是殼體結(jié)構(gòu)，不可避免地形成壓縮、擴(kuò)張振動(dòng)，可等效為由阻尼器、彈簧及質(zhì)量所組成的系統(tǒng)，振動(dòng)通過機(jī)殼向外發(fā)射噪聲，構(gòu)成 SR 電機(jī)噪聲的根源之一，一旦徑向磁吸力的諧波頻率與定子的固有頻率重合，噪聲將會(huì)十分嚴(yán)重。 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 48 頁 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本次畢設(shè)課題的主要任務(wù)是完成開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到基本的運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)速的功能。從硬件上來說本次設(shè)計(jì)主要分三大部分：信號(hào)采集 系統(tǒng)部分，主控系統(tǒng)部分和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部分。那么信號(hào)采集部分和主控系統(tǒng)部分將是本次畢設(shè)任務(wù)的重點(diǎn)，預(yù)期要完成測速、速度顯示、邏輯換相和調(diào)速這四項(xiàng)功能，系統(tǒng)框圖如圖 6。 圖 硬件系統(tǒng)框圖 4 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 位置信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 位置傳感器是開關(guān)磁阻電機(jī)的關(guān)鍵部件和特征部件。作用是向單片機(jī)端口正確提供轉(zhuǎn)子位置信息，依此對(duì)功率變換器進(jìn)行控制，從而控制整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行。轉(zhuǎn)子位置檢測的傳感器可采用多種形式，如霍爾傳感器、光電式傳感器、接近開關(guān)式傳感器、 諧振式傳感器和高頻耦合式傳感器等。 本系統(tǒng)選用 SRD 中用得最多的簡單可靠的光電式位置傳感器，它由靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分組成。 CG1 和 CG2 是光電斷續(xù)器， R1R4 是限流電阻，其值一般為110K。由于光電脈沖發(fā)生器輸出的位置脈沖信號(hào)有一定的上升和下降沿，所以光電三極管輸出電壓經(jīng)比較器整形后輸出。 原理圖如圖 所示。 目標(biāo)速度輸入 單 片 機(jī) 運(yùn)轉(zhuǎn)命令輸入 位置信號(hào)輸入 速度顯示 換相輸出 PWM 波輸出 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 48 頁 圖 光電轉(zhuǎn)子位置檢測器電路 表 光耦輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系 轉(zhuǎn)子位置狀態(tài) 導(dǎo)通相 ① ② ③ 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 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 電流信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 開關(guān)磁阻電機(jī)相電流檢測是電流斬波控制方式運(yùn)行的需要，也是過電流保護(hù)的需要。單相、脈動(dòng)以及波形隨運(yùn)行方式和運(yùn)行條件變化很大是開關(guān)磁阻電機(jī)相電流的基本特點(diǎn)。因此開關(guān)磁阻電機(jī)的電流檢測器需具備如下特點(diǎn) : (1) 快速性能好，從電流檢測到控制主開關(guān)器 件動(dòng)作的延時(shí)盡量?。? (2) 被測主電路 (強(qiáng)電部分 )與控制電路 (弱電部分 )間應(yīng)良好隔離，且有一定 的抗干擾能力 : 中北大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 48 頁 (3) 靈敏度高，檢測頻帶范圍寬，可測含有多次諧波成分的直流電流； 對(duì)于三相開關(guān)磁阻電機(jī)，一般需要三個(gè)霍爾電流傳感器來檢測每一相的電流。