電動自行車用開關磁阻電動機控制器設計畢業設計說明書-資料下載頁

【導讀】所無法比擬的顯著特點。論文以三相6/4極SRM為研究對象，完成了以單片機。行了設計，具有過流保護功能。同時本設計采用了模塊化的編程方法，增強了程。序的可讀性和易操作性。基于開關磁阻電動機的準線性動態模型,利用Protues軟。件,對開關磁阻電動機進行仿真。為此系統的進一步改進打下了基礎。達到了預期的SRD控制效果。本文用該設計進行了開關磁阻電機控制的模擬試。課題的研究進行了有益的探索和實踐。

　　

【正文】 STC89C51 為核心構成的 SRD 系統采用雙閉環調速方法，系統有兩個反饋環，即速度外環和電流內環。速度反饋信號取自位置傳感器輸出的轉子位置信號 頻率 ， 與 被給定速度相減后作為速度環 PI 調節器的輸入，而速度調節器的輸出信號 經換算成占空比的變化 ， 即 控制 PWM 信號的脈寬。控制器以恒定的斬波頻率控制功率變換電路中主開關器件的開斷，并通過調節開通和關斷的時間比例，來調節相繞組兩端的平均電壓，同時基于最優開通角調節，從 而實現調速。 軟件的模塊程序大體分為 :主程序 和 中斷處理程序。主要程序為 :主程序、運行子程序、測速子程序。中斷處理程序為 :定時器 T0 周期中斷服務程序、定時器T1 周期中斷服務程序、 INT1 過流中斷處理程序。 主程序設計 本系統軟件使用模塊化編程，所以主程序的工作主要是對各子程序的調用和組織。系統起動后首先調用初始化子程序，完成諸如具有復用功能的 I/O 腳的選擇和設置、各種中斷功能的選擇及其設置、系統變量的初始化，最后完成開中斷。初始化操作完成之后，系統調用起動程序，完成系統的軟起動。軟起動之后，系統調用正 常運行子程序，進入正常運行狀態。主程序流程圖如圖 71 所示。 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 29 頁 共 48 頁 圖 主程序流程圖 啟動程序設計 SR 電機起動時，相繞組的通電時間長，從而造成相電流周期長、磁鏈及電流峰值大，容易導致功率變換器主電路中的主開關器件的損壞。因此， PWM 調壓控制中的占空比不能在起動階段一下子加大，而必須采用軟起動的方法，在本程序中采用循環累加的方法逐步加大占空比，同時在加速過程中實時檢測電動機的轉速，當電機轉速大于 100r/min 時，認為起動階段已經結束 。啟動程序如圖72 所示。 初始化 啟動程序 啟動完畢 主控程序 是否停機 開始 否 是 否 是 是 否 是否啟動 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 30 頁 共 48 頁 圖 啟動程序流程圖 主控模塊設計 系統正常起動后即進入運行模塊。運行模塊是本系統程序的主要部分，主要是用來保證系統在給定的轉速下正常運行。控制算法使用 PI 控制，通過對位置檢測器產生的中斷時間的處理，計算電機當前的轉速并與給定值 (由模數轉換輸入 )比較，誤差作為 PI 速度調節器的輸入， PI 的輸出用來調節單片機的 PWM 口的占空比，從而調節加在 SR 電機相繞組兩端 的平均電壓達到調節電機轉速的目的。 主控 程序流程圖如圖 所示。 啟動程序開始 初始化 占空比累加 1 PWM 斬波程序 轉 速≥100r/min 啟動程序結束 是 否 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 31 頁 共 48 頁 圖 主控模塊流程圖 測速和換相程序設計 定時器 T2 的功能比 T T0 都強大，它是一個 16 位的具有自動重裝和捕獲能力的定時 /計數器，它的計數時鐘源可以是內部的機器周期，也可以是 輸入的外部時鐘脈沖。 T2 的控制寄存器 區別于定時器 T0 和 T1，在定義是需單獨定義，其 功能描述如下： T2CON（ T2 的控制寄存器） ,字節地址 0C8H： 符 號 ： TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RT2 TF2：定時 /計數器 2 溢出標志， T2 溢出時置位，并申請中斷。只能用軟件清除，但 T2 作為波特率發生器使用的時候， (即 RCLK=1 或 TCLK=1),T2 溢出時不對 TF2 置位。 EXF2：當 EXEN2=1 時，且 T2EX 引腳（ ）出現負跳變而造成 T2 的捕獲或重裝的時候， EXF2 置位并申請中斷。 EXF2 也是只能通過軟件來清除的。 EXEN2： T2 的外部允許標志，只能通過軟件的置位或清除； EXEN2=0：禁止外部時鐘觸發 T2； EXEN2=1： 當 T2 未用作串行波特率發生器時，允許外部主控程序開始 讀取 AD 轉換值 PI 算法程序 占空 比限幅 速度顯示 主控程序結束 是否停止 是 否 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 32 頁 共 48 頁 時鐘觸發 T2，當 T2EX 引腳輸入一個負跳變的時候，將引起 T2 的捕獲或重裝，并置位 EXF2，申請中斷。 TR2： T2 的啟動控制標志； TR2=0：停止 T2； TR2=1：啟動 T2 C/T2： T2 的定時方式或計數方式選擇位。只能通過軟件的置位或清除；C/T2=0：選擇 T2 為定時器方式； C/T2=1：選擇 T2 為計數器方式，下降沿觸發。 CP/RT2：捕獲 /重裝載標志，只能通過軟件的置位或清除。 CP/RT2=0 時，選擇重裝載方式，這時若 T2 溢出（ EXEN2=0 時）或者 T2EX 引腳 （ ）出現負跳變（ EXEN2=1 時），將會引起 T2 重裝載； CP/RT2=1 時，選擇捕獲方式，這時若 T2EX 引腳（ ）出現負跳變（ EXEN2=1 時），將會引起 T2 捕獲操作。但是如果 RCLK=1 或 TCLK=1 時， CP/RT2 控制位不起作用的，被強制工作于定時器溢出自動重裝載模式。 本文利用了定時器 T2 的捕獲模式，即捕獲了電機需要換相的時刻，又捕獲了兩次換相的時間間隔，間接得到電機的轉速。其功能流程圖如圖 所示。 圖 測速及換相流程圖 測速程序開始 T2 記滿溢出 保存捕獲時間 計算開通角 初始化 T0、開 T0 初始化 T2 測速程序結束 否 是 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 33 頁 共 48 頁 調速模塊設計 系統控制的最終目的是實現電機轉速能達到期望的轉速。在系統中軟件設定，當設定期望的轉速和當前的轉速的差值大于 5r/min 時，便進行電機調速。一般調速的方式通常采用 PID 控制的方法。 在 PID 控制算法中存在著比例、積分、微分三種控制作用。簡單說來， PID 控制器各校正環節的作用如下 ： (1) 比例環節 :成比例地反映控制系統的偏差信號 e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用以減小偏差，使被控對象的輸出朝著誤差減小的方向變化。比例系數 Kp 的作用是加快系統的響應速度，提高系 統的調節精度。 Kp 越大，系統響應速度越快， 系統的調節精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統不穩定； Kp 取值過小，則會降低調節精度，使響應速度緩慢，從而延長調節時間，使系統動、靜態特性變壞。 (2) 積分環節 :主要用來消除靜差，提高系統的無差度。積分控制能記憶系統的誤差并進行誤差累積，從而最終消除系統靜差。積分系數 K，的作用是消除系統的穩態誤差， Ki 越大，系統的靜態誤差消除越快，但 Ki，過大，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。由于加入了積分環節，系統不可避免的會存在滯后 特性， 積分作用太強則會使超調過大，使系統的動態性能變壞，以至于引起閉環系統的不穩定。 在計算機控制系統中使用的是數字 PID 調節器，本文中用 PI 的輸出來控制單片機 PWM 口的占空比，因此選用增量式 PI 控制器。所謂增量式 PI 是對位置PI 取增量 .數字調節器的輸出只是增量值。即 : ? ? ? ? ? ?? ? ? ?TiTTpT keKkekeKku ???? ? 1 PI 控制器的輸出作為 PWM 口占空比的增量， PWM 口的原輸出與 PI 控制器的輸出增量相加作為新的占空比輸出，從而調節加在 SR 電機相繞組上的電壓。 PI 調節子程序流程圖如圖 所示。 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 34 頁 共 48 頁 圖 PI 算法示意圖 速度顯示模塊設計 速度采用 4 位共陽數碼管的靜態顯示，陽極經電阻接公共 VCC，由單片機的串口提供 4 位段選碼。串口模式 當設置 SM0、 SM1 的值分別為 0、 0 時，通用串行口工作在同步移位寄存器輸出模式。在這種工作模式下，串行口的波特率固定為 fosc / 12，發送、接收的數據都是 8 位，數據由低位到高位依次傳輸。 同步模式將數據放入發送寄存器 SBUF 時啟動發送功能，串行口把數據從RXD 引腳送出，低位在前，高位在后，發送完后將中 斷標志 TI 置位， TXD 引腳輸出同步移位脈沖。如果還要輸出下一幀數據，則需要先用軟件將 TI 標志清零。 單片機串口在發送 8 位數據的時候，先發送低位的數據再發送高位的數據，所以在程序編寫時應注意發送數據的順序。 中斷程序設計 本系統程序設計應用最多的程序便是中斷程序： (1) 定時器 T0 中斷 和 T1 中斷 交替定時完成換相時開通角、關通角的定時和PWM 波占 、 空時間的定時。 PI 算法程序開始 ? ? ? ?1???? kkpT eeKku ? ? ? ? kiTT eKkuku ???? kk ee ??1 PI 算法程序結束 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 35 頁 共 48 頁 (2) 外部中斷 1 為過流保護中斷，作用為接受到過流的低電平信號后即產生中斷，中斷輸出信號 毫秒后恢復輸出。外部中斷 0 作為擴展留用。 (3) 定時器 T2 完成測速和換相的任務，具體流程圖如圖 所示。 8 SIMULINK 原理仿真 MATLAB/ SIMULINK 是建立仿真模型的理想環境 ， 它不但直觀、便捷、準確 ， 而且 MATLAB 的工具箱為實現多種控制策略提供了可能 。 另外 ， 使用MATLAB 的中的各種分析工具 ， 還可以對仿真結果進行分析和可視化 ， 使 仿真研究更有效率。 本文利用 SRM 的 準線性動態模型 ， 在 MATLAB/SIMULINK 的環境中對 (6/4)結構 SRD 的各部分進行建模仿真 ，包括電機模塊，功率驅動模塊，位置檢測模塊和 PI 調速模塊。 電機模塊 在 MATLAB/ SIMULINK 元件庫中有開關磁阻電機模塊，模塊圖如圖 。 圖 開關磁阻電機模塊圖 其中， TL 端為電動機外帶負載的輸入斷； A1 為 A 相電流的輸入端， A2 為A 相電流輸出端，依次為 B 相和 C 相的電流輸入和輸出端； m 為電機運轉狀態輸出端，包括相磁通量、相電流、輸出轉矩和轉速。 功率驅動模塊 此模塊主要用于驅動 SRM 的 A、 B、 C 三相，由控制信號 G 控制各相開關中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 36 頁 共 48 頁 器件（ IGBT）的導通，將電源的電能輸送給 SRM。模塊設計如圖 所示。 圖 驅動模塊 圖 位置檢測模塊 此模塊用于得到各相的開關信號，并與 PI 調速模塊送出的 PWM 波相與。此外，經 z變換后得到轉角，即可以設定每相的開通角和關通角，在此設開通角為 40 度，關通角為 75 度，如圖 83 所示。 圖 83 位置檢測模塊圖 PI 調速模塊 PI 調速模塊分兩部分組成： PI 算法部分和 PWM 生成部分。由于開關磁阻電動機高頻的開關特性， PWM 波需由高頻的脈沖波經積分后并與給定值相比后得到，如圖 。 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 37 頁 共 48 頁 圖 PWM波生成 圖 系統仿真及結論 將上述模塊連接成一個調速系統，達到換相， PI 調速環和限流環的目的，同時還要根據實時轉角信息做出換相處理。其完整系統如圖 85。 圖 SRD 系統仿真圖 仿真得到的轉速波形如圖 ，給定 1500r/min，而最終速度也穩定在1500r/min。 轉矩波形如圖 ，非常明顯地反映出了啟動階段電機的轉矩是不連續的，即轉矩脈動。同時，啟動時轉矩均值明顯大于勻速時的轉矩均值，說明 SRM 電動機具有大轉矩啟動的特性。 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 38 頁 共 48 頁 圖 轉矩波形圖 中北大學 20xx 屆畢業設計說明書 第 39 頁 共 48 頁 參考文獻 [1] 趙建領 , 弓雷 . 51 單片機開發寶典 [M]. 北京 : 電子工業出版社 , . [2] 沈 輝 . SIMULINK 系統仿真與控制 [M]. 北京：北京大學出版社 , . [3] 吳紅星 . 開關磁阻電機系統理論與控制技術 [M]. 北京：中國電力出版社. [4] 王忠建 . 開關磁阻電機振動的有限元分析與控制研究 [D]. 河海大學碩士學位論