電動自行車電動機驅動系統(tǒng)的設計與仿真

1、電動自行車電動機驅動系統(tǒng)的設計與仿真摘要 隨著科技的進步，社會文明的發(fā)展，在當前石油資源短缺和環(huán)境污染的加劇的情況下，作為一種理想的“綠色”代步工具，電動自行車的發(fā)展受到了人們的重視。電動自行車無污染，低噪音，速度適中，操作簡單，價格低，儼然成為人們的新寵。開關磁阻電機是隨現(xiàn)代電力電子技術，微計算機控制技術發(fā)展起來的新型電機，憑借成本低、效率高，靈活控制等優(yōu)點，十分適合于電動自行車。本文首先介紹了開關磁阻電機及其的發(fā)展狀況，并對開關磁阻電機的特點進行了闡述;其次，針對電動自行車用驅動電機的要求，完成了電機參數(shù)選擇、電機基本結構示意圖設計、功率變換器的拓撲結構選擇、功率開關管的選擇與參數(shù)定額、以

2、及功率變換器的損耗估算。課題設計主要包括兩個部分，第一部分是開關磁阻電機的一體化驅動控制器的設計;第二部分是位置檢測的設計。一體化驅動控制器設計包括系統(tǒng)電源、功率驅動電路、位置信號輸入電路、轉速反饋FN轉換電路、閉環(huán)控制電路、PWM波生成電路、電流斬波電路、欠壓保護電路、過流保護電路。位置檢測設計包括直接檢測和間接檢測兩種方案。首先，針對電動自行車獨特的外轉子式電機結構，設計了一種使用光電傳感器的直接檢測方案;其次，從SR電機的相電感與轉子位置之間關系開始分析，建立了SR電機的線性電感模型，提出了非勵磁相電感法間接檢測方案的設計構思。在間接位置檢測硬件設計中，介紹了電感諧振電路、續(xù)流檢測電路及

3、DSP數(shù)字處理單元，并結合軟件設計給出了部分軟件設計。最后，對設計的系統(tǒng)進行仿真，總結。驗證了驅動控制器的功能，證明了系統(tǒng)設計的合理性。關鍵詞：開關磁阻電機;SR電機;電動自行車39 AbstractWith the progress of science and technology, the social civilization development, in the current oil resources shortage and environmental pollution intensifies, as a kind of ideal "green" tr

4、ansport, electric bicycle development by people's attention. Electric bicycle no pollution, low noise, speed, moderate, simple operation, low prices, has become a people to be bestowed favor on newly. Switched reluctance motor is with modern power electronic technology, microcomputer control tec

5、hnology developed, relying on the new motor cost is low, the efficiency high, flexible control etc, very suitable for electric bicycles. This paper first introduces switched reluctance motor and its development status, and the characteristics of switched reluctance motor discussed; Secondly, with dr

6、ive motor for electric bicycle, completing the motor requirements of selecting parameters, basic structure schematic design, motor power converter topology selection, power switch tube choice and parameter quotas, and the loss estimation in power converters. Topic design includes two parts, the firs

7、t part is the integration of switched reluctance motor driving controller design; The second part is position detection design. Driving controller design including system integration of power supply, power drive circuit, position signal input circuit, rotational speed feedback FN conversion circuit,

8、 closed-loop control circuit, PWM waves generated circuit, current chopper, undervoltage protection circuit, over-current protection circuit. Position detection design including direct detection and indirect testing two options. First of all, for electric bicycle unique exterior rotor type electrica

9、l engineering structure, design a kind of use direct detection scheme photoelectric sensor; Secondly, from SR motor phase inductance and began to analyze relationship between rotor position, established the SR motor linear inductance model, and then puts forward the non excitation phase inductance m

10、ethod indirect testing scheme design idea. In indirect position detection hardware design, introduces the inductance resonance circuit, free-wheeling detection circuit and DSP digital processing units, and combined with the software design gives part of the software design. Finally, the design of th

11、e system, and simulation summary. Verify the function of driving controller, proved the rationality of the design of system. Keywords：Switched Reluctance Motor；Position Detection; Electric Bicycle目錄 第一章 緒論51.1電動自行車車驅動系統(tǒng)的發(fā)展51.2驅動電機的分類51.3課題驅動系統(tǒng)的選擇目的和意義6第二章 開關磁阻電機驅動系統(tǒng)72.1開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的發(fā)展72.2開關磁阻電機系統(tǒng)組成72.

12、4開關磁阻電機的結構和工作原理82.5 開關磁阻電機的數(shù)學模型102.6 機械特性132.7SRD系統(tǒng)的位置信號檢測14第三章 SR電機控制器硬件電路的設計163.1控制器的整體構成163.2系統(tǒng)硬件概述173.3 ATmega48的外圍電路設計173.3.1系統(tǒng)時鐘的選擇173.3.2ISP下載接口設計183.3.3 AD轉換電源的降噪設計193.4復位電路的設計203.5電源電路和電壓采樣電路203.5.1 電源電路203.5.2電壓采樣電路213.6系統(tǒng)功率電路及MOSFET驅動電路的設計213.6.1系統(tǒng)功率電路213.6.2 MOSFET驅動電路223.7轉子位置信號處理電路233.

13、8電流檢測和保護電路24第四章 驅動器的軟件設計254.1總的設計思路254.1.1主程序254.1.2初始化程序264.2各功能模塊的設計264.2.1位置檢測模塊264.2.2換相控制模塊284.2.3雙閉環(huán)控制模塊284.2.4 AD采樣模塊284.2 5剎車控制模塊294.2.6過流保護模塊304.2.7欠壓保護模塊304.2.8定速巡航模塊31第五章 系統(tǒng)仿真335.1仿真335.2結論35總結36致謝37參考文獻38第一章 緒論電動自行車是解決世界能源危機、大氣污染等重大難題的理想代步工具。20世紀70年代，中東石油危機的爆發(fā)以及人類對自然環(huán)境的日益關注，電動自行車從沉寂期走出來，

14、再度成為技術發(fā)展的熱點。 電動自行車的研究，主要是車體，蓄電池和驅動系統(tǒng)三個部分。電動自行車的整體運行性能，經(jīng)濟性等主要取決于電池系統(tǒng)和電動機的驅動系統(tǒng)。其中驅動系統(tǒng)的優(yōu)劣對電動自行車的駕駛性能，續(xù)駛里程起著至關重要的作用。近年來各國試圖尋找一種結構簡單，效率高和性能可靠的無極調速電機驅動系統(tǒng)。1.1電動自行車車驅動系統(tǒng)的發(fā)展電機是電動自行車的驅動組件，目前國內外的電動自行車采用的電機主要是永磁直流電機，有無刷和有刷，低速和高速之分。以前，大多數(shù)電動自行車使用的電機為有刷低速直流電機，隨著科技的進步和電子組件成本的下降，無刷直流電機成為當前電動自行車的首選電機。隨著交流技術的不斷提升，開關磁阻

15、電機驅動系統(tǒng)得到了更多的關注。作為驅動的主體開關磁阻電機，結構簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調速性能和靈活的可控性，也愈來愈得到專家和研發(fā)人員的認可和應用。1.2驅動電機的分類有刷直流電機主要分為印制繞組電機和線繞組盤式電機。有刷直流電機的特點是控制簡單，低成本，有著超強的過載能力;缺點是需要電刷、換向器，對電機的工作效率造成影響。有刷直流電機又有齒輪和無齒輪之分。有刷有齒電機是一種高速電機，它是通過齒輪減速機構，將電機轉速降低。優(yōu)點是起動時動力比較足，且爬坡能力強。缺點是輪轂是封閉的，潤滑脂用戶本人不能加，也很難進行日常保養(yǎng)，并且齒輪本身也存在磨損，很容易因為潤滑脂的消耗而導致齒輪磨損加重，發(fā)

16、出比較大的噪聲，消耗電流變大，對電機和電池的壽命造成威脅。而有刷無齒輪電機是外轉子式的低速電機，不需要靠齒輪來減速，選取的是低速輸出方式，避免了因齒輪嚙合而發(fā)出的噪聲，其缺點是電機輸出轉矩小，啟動時動力相對較不足，爬坡能力也感覺較弱。優(yōu)點是運行安全，噪聲小。 無刷直流電機不帶電刷，無需齒輪減速，從根本上消除了電刷磨損和齒輪磨損，不存在定期更換電刷，而且噪聲很小。無刷直流電機是由電動機本體、轉子位置傳感器以及電子換向電流三部分組成。無刷直流電機的優(yōu)點：無干擾，長壽命、高效率、維護簡單、運行可靠，可在寬廣的范圍內平滑的調速：缺點：與有刷直流電機相比，控制系統(tǒng)復雜，成本高。開關磁阻電機結構堅固耐用，

17、適應惡劣環(huán)境高速運行。驅動電流簡單，成本低，性能可靠，電機易冷卻，能四象限運行，在寬廣的轉速范圍內有著高效率和功率因素，并且可控參數(shù)多，起動電流小，容易智能化處理滿足不同要求。缺點轉矩脈動打，噪聲大電機需要適應位置傳感器，增大結構復雜性。1.3課題驅動系統(tǒng)的選擇目的和意義開關磁阻電機的一系列特點證明其非常適合電動車對電機驅動系統(tǒng)的要求 ，開關磁阻電機驅動系統(tǒng)在大功率的電動汽車上已經(jīng)運用成功，在小功率的電動自行車上正不斷開發(fā)，現(xiàn)有的電動自行車驅動電機主要是永磁直流電機，電動自行車采用開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的設計是一個很好的嘗試。第二章 開關磁阻電機驅動系統(tǒng)2.1開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的發(fā)展開關磁阻電

18、機（SRM）的基本結構及原理的出現(xiàn)可以追溯到19世紀40年代，由于其特殊的運行原理，人們對開關磁阻電機的研究一直沒有很大進展，直到1970年，英國里茲大學和諾丁漢大學聯(lián)合研究開關磁阻電機，首創(chuàng)了開關磁阻電機的雛形，為后來開關磁阻電機的發(fā)展奠定了基礎。之后又了實質性的進展，可以為50KW的電瓶汽車提供裝置。1980年，英國成立了開關磁阻電機驅動裝置有限公司，專門研究、開發(fā)、設計SRD系統(tǒng)，在1983年首先推出了SRD系列產(chǎn)品，并為該產(chǎn)品命名為OUTTON。此外還研制了一種適用于有軌電車的驅動系統(tǒng)，到1986年運行已達500km。該產(chǎn)品的現(xiàn)世，在電氣傳動界引起了不小的反響。在很多性能指針上達到了出

19、乎意料的高水平，整個系統(tǒng)的綜合性能指針達到或超過了工業(yè)中長期廣泛應用的一些變速傳動系統(tǒng)。 隨后，世界很多國家也開始對SRD系統(tǒng)的研究。大約從1985年開始我國開展了對SRD的研究工作，在借鑒國外技術經(jīng)驗的基礎上，我國的SRD研究進展較快，先后開發(fā)出3.5kw、5.5kw、7.5kw等規(guī)格樣機，一些產(chǎn)品并小批量投入生產(chǎn)。之后SRD系統(tǒng)的研究被列入我國中、小型電機“八五”、“九五”、“十五”科研規(guī)劃項目，對SRD的研究的重視程度。其中華中科技大學開關磁阻電機課題組在“九五”項目中研究出適用SRD系統(tǒng)的電動汽車，并在“十五”項目中將SRD應用到混合動力城市公交車，都取得了可觀的運行效果。目前，SRD

20、已成功運用到很多領域。2.2開關磁阻電機系統(tǒng)組成SRD系統(tǒng)主要是由開關磁阻電機（SRM）、功率變換器、控制器及位置和電流檢測器四部分組成。其中SR電機是SRD中實現(xiàn)機電能量轉換的部件，功率變換器是SR電機運行時所需能量的供給者，檢測器反饋SR電機信息以用于控制，控制器控制SR電機以實現(xiàn)高性能驅動。它們之間的關系如圖2.2所示圖2.2 SRD系統(tǒng)組成一 開關磁阻電機 SR電機是SRD系統(tǒng)中實現(xiàn)機電能量轉換的部件，也是SRD系統(tǒng)有別于其它電機驅動系統(tǒng)的主要標志?？梢酝ㄟ^輸入電流的大小來控制電機的轉矩輸出及轉速。通過改變電機各相的通電順序來改變電機的轉動方向。二 功率變換器功率變換器是向電機直接提供

21、能量的部件，由半導體開關組件組成，受控制器的輸出控制，實現(xiàn)電機在不同時刻的換相。其輸出為蓄電池的直流電或交流整流的直流電。三 控制器控制器是SRD系統(tǒng)的核心部分。由位置和電流檢測器提供反饋信息，傳達到控制器，然后控制器綜合處理，最后通過對功率變換器的控制，實現(xiàn)對SR電機運行狀態(tài)的控制。在SRD中，控制器需要有的功能：（1）電流斬波控制或電壓斬波控制。（2）角度位置控制。（3）起動、制動、停車及四象限運行。（4）速度調節(jié)。四 位置檢測電路若要電機能按要求轉到，就需要在轉子運行到適當位置時給予適當?shù)南嗤〝?，否則會出現(xiàn)電機的停反轉甚至是亂轉，電機就不能按要求轉到。這也就是開關磁阻電機調速系統(tǒng)明顯區(qū)別

22、于其他電機系統(tǒng)的地方：需要一個位置檢測電路。五 電流檢測電路在電機運行過程中如何保護電機不會因電流過大而導致?lián)p壞，這是就需要對電機的相電流值進行實時的檢測，這就是需要電流檢測電流的原因。2.4開關磁阻電機的結構和工作原理開關磁阻電機的結構和反應式與步進電機相似，系雙凸極可變磁阻電動機。SRD電機采用凸極定子和凸極轉子的雙凸極結構，定轉子的凸極均由普通硅鋼片迭壓而成，而且定轉子極數(shù)不相等。轉子既無繞組也無永磁體，定子上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)成一相。20多年來，SR電機一直受到了人們的廣泛關注，設計出多種相數(shù)結構不同的SR電機，按相數(shù)分有單相、雙相、三相、四相和五相，低于三相的SR電

23、機無自啟動能力。對于有自啟動、四象限運動要求的驅動場合，應優(yōu)選表2.4所示的定、轉子極數(shù)組合方案。相數(shù)多，步進角小，利于減小轉矩脈動，缺導致結構復雜，而且主開關器件增多，成本就高，目前應用較多的是三相6/4極結構和四相8/6極結構。表2.4 圖2.4.1 四相8/6極SR電機 圖4.2.a為四相8/6極SR電動機，有A, B, C, D四相繞組。 相對于m相SR電動機來說，如設定子齒極數(shù)為NS，轉子齒極數(shù)為Nr，則轉子極距角r （2.1）現(xiàn)在將各個相繞組通斷點，把轉子轉過的角度大小定義成步距角，則 （2.2）現(xiàn)在將轉子旋轉一周，所以每轉步數(shù)大小為 （2.3）旋轉一周，相繞組就要依次電次，這樣就

24、能得出SR電動機的轉速n(r/min)與每相繞組的通電頻率之間的關系 （2.4）功率變換器的開關頻率為 （2.5）電機極數(shù)和電機性能和成本相數(shù)密切相關，在一般情況下，隨著極數(shù)和相數(shù)的增多，電機的轉矩脈動就會相應變小，這樣一來運行起來平穩(wěn)些，但是復雜性和成本也相應提高了。相對的，相數(shù)和極數(shù)變了，雖然成本降低了，但轉矩脈動增大了。本文選用的是四相8/6級SR電機，其特點極相數(shù)合適，轉矩脈動在理想范圍內。SR電機遵循磁通總是要沿著磁導最大路徑閉合的原理，產(chǎn)生磁拉力形成磁阻性質的電磁轉矩，故轉子旋轉時磁路的磁阻需要盡可能大的變化。如圖2.4.2所示，其工作過程如下：當A相繞組控制開關，閉合時（B,C,

25、D三相繞組都不通電），A相勵磁，所產(chǎn)生的磁力則試圖使轉子旋轉到轉子極軸線與定子極軸線重合的位置，從而產(chǎn)生磁阻性質的電磁轉矩。以圖4.2.b所示定、轉子所處的相對位置作為起始位置，當定子繞組ABCD相繞組通電，轉子會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉；反之，若依次給BADC相通電，則轉子會沿順時針方向轉動?？梢姡琒RM的轉向僅取決于相繞組通電的順序，與相繞組的電流方向無關。同時SRM具有能量回饋的特性，系統(tǒng)效率高可節(jié)約能源。圖2.4.2 開關磁阻電機運行原理2.5 開關磁阻電機的數(shù)學模型 為了簡化分析，忽略鐵芯損耗部分，并設開關磁阻電機的相數(shù)為m各相結構和參數(shù)對稱。設n=1，··

26、;·，m相的電感、電壓、磁鏈、電阻、電流及轉矩分別為、，轉子位置角為，轉速為 電路方程根據(jù)能量守恒定律和電磁感應定律，施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓降和因磁量變化而產(chǎn)生的感應電勢作用之和，第N相繞組電壓方程： （2.5.1）各相繞組磁鏈為該相電流與電感、其余各相電流與互感以及轉子位置角的函數(shù)： （2.5.2）由于開關磁阻電機各相之間的互感相對自感來說甚小，為了方便計算，在開關磁阻電機的計算中一般忽略相間互感，不考慮兩相以上電流導通時定、轉子局部飽和在各相之間的相互影響，這時磁鏈方程式可近似成: （2.5.3）電機的磁鏈可用電感和電流的乘積表示，即 （2.5.4）則式（2.6）可以

27、表示為： （2.5.5）機電聯(lián)系方程 電路方程和機械方程通過電磁轉矩耦合在一起，故反映機電能量轉換的轉矩表達式為機電聯(lián)系方程，且考慮到m相繞組的對稱性，則SR電動機輸出平均轉矩為： （2.5.6） 式中：為相電流的中間變量，為電動機轉子極數(shù)，為電感隨位置與電流變化的函數(shù)。機械方程 按照力學定律可列出在電動機電磁轉矩和負載轉矩作用下的轉子轉子機械運動方程： （2.5.7）式中：J、D分別為轉動慣量和粘滯系數(shù)。式（2.5.5）（2.5.7）一并構成開關磁阻電機的數(shù)學模型。然而，上述數(shù)學模型盡管從理論上完整準確地描述了開關磁阻電機的電磁及力學關系，但由于 及難以解析，所以使用起來很麻煩，實際中往往根

28、據(jù)具體電動機的結果及所要求的精確程度加以適當?shù)暮喕?。為了避免繁瑣的計算，又近似考慮磁路的飽和效應，將實際的非線性磁化曲線分段線性化，同時不考慮相間耦合效應，近似處理，即得到SRM的準線性模型。若不不計磁路的飽和影響，繞組的電感與電流大小無關,且不考慮磁場邊緣擴散效應，這時相繞組的電感隨轉子位置角周期性變化的規(guī)律如圖2.5.1所示，圖2.5.1圖中橫坐標為轉子位置角，它的基準點（坐標原點）位置對應于定子磁極軸線（也是相繞組的中心）與轉子凹槽中心位置（把該位置叫做不對齊位置），這時相電感為最小值；當轉子轉過半個極距（1800/N）時，定子磁極軸線與轉子凸極中心對齊（對齊位置），相電感為最大值。隨著

29、定、轉子磁極重疊的增加和減少，相電感在和之間線性地上升和下降，的變化頻率正比與轉子極數(shù)，變化周期為轉子極距。圖中，為定子磁極與轉子磁極開始發(fā)生位置重疊位置；為定子勵磁極剛好與轉子磁極完全重疊位置（一般轉子磁極寬帶大于等于定子磁極的寬度）臨界重疊位置；為定子磁極與轉子磁極臨界脫離完全重疊的位置;和為定子磁極剛剛與轉子凸極完全脫離的位置。故繞組電感與轉子位移角的關系可用函數(shù)表示為式中：K=其中為定子磁極極弧SR電動機一相繞組的主電路如圖2.5.2所示，當電機由恒定直流電源Us供電時，一相電路的電壓方程為 （2.7）式中，“+”號對應于繞組與電源接通時，“一”對應于電源關斷后繞組續(xù)流期間。 圖2.5

30、.2 SR電機一相繞組主電路根據(jù)“忽略所有功率損耗”的假設，則上式可以簡化為 （2.8）在轉速、電壓一定的條件下，繞組電流僅與轉子位置角和初始條件有關。由于繞組電感L()的表達式是一個分段解析式，分段求解結果如下:(1)在區(qū)域內，L=Lmin，式2. 7前取“+”，將初始條件代入，解 (2.9)(2)在區(qū)域內，L= Us前取“+”，得 (2.10)(3)在區(qū)域內，主開關關斷，繞組進入續(xù)流階段。此時L=，Us前取“-”，得 （2.11）(4)在區(qū)域內，L=Lmax Us前取“-”，同理可得 （2.12）(5)在區(qū)域內，L=，Us前取“-”，同理可得 (2.13) 而 （2.14）推得 (2.15

31、)由此可見，當相電壓恒定時，與成反比，即電機呈串勵的機械特性。當恒定時，電機轉速與相電壓成正比。因此我們可以通過調節(jié)相電壓U，以實現(xiàn)對SRD系統(tǒng)的調速控制。根據(jù)以上原理，電壓斬波PWM控制方式采用的方法是:固定開、關角，在原來主開關相控觸發(fā)信號上加PWM調制，通過調節(jié)電壓的PWM的占空比來調節(jié)施加在相繞組上的兩端電壓以達到調速的目的。電壓斬波控制的特點：電壓斬波控制方式通過PWM方式調節(jié)繞組電壓平均值，進而能間接限制和調節(jié)過大的繞組電流，故既能用于高速運行，又適合于低速運行。其余特點與電流斬波控制方式相反，既適合用于轉速調節(jié)系統(tǒng)，此時抗負載擾動的動態(tài)響應較快，但低速時轉矩脈動較大。2.6 機械

32、特性 圖2.6 SR電機的基本機械特性如圖2. 6所示，SR電機的運行特性可分為三個區(qū)域:恒轉矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)。在恒轉矩區(qū)，電機轉速較低，電機反電動勢很小，需要對電流斬波的波幅進行限制，可采用電流斬波(CCC)方式，也可采用電壓PWM控制方式;在恒功率區(qū)，通過調節(jié)主開關的開通和關斷角的角度來得出恒功率特性，我們把這種調節(jié)方式叫做角度位置控制(APC)方式;而在串勵特性區(qū)，電源，開啟角度和關斷角度系列勵磁特性是固定。作為臨界轉速的,是以上特性的交接轉速。SR電機是在臨界轉速恒功率為SR電機的額定轉速也稱為第一臨界速度，相應的功率定義的特性，運行的額定功率，是獲得最高額定轉速，當速度再次

33、升高，輸出功率將下降，也被稱為第二臨界速度。當外加電壓給定我們，開通角和關斷角是固定的，SR電機的轉矩，速度之間的關系和勵直流電動機相似特征的系列。但事實上，當車速低，電流和轉矩受限制，如圖2.6所示的基本機械性能。對于給定的SR電機，在最高電壓和最大流量和現(xiàn)狀，存在一個臨界速度，這是能達到的最高速度SR電機的最大轉矩，稱為第一臨界速度。當然，在這個時候SR電機功率也是最大的。SR電機的電流和速度是成反比的。在低速運轉時時，通過對外加電壓、開通和關斷角的調節(jié)，可以限制繞組電流不超過允許值。同時通過斬波控制外加電壓，前提是開通和關斷腳是不變的，可以獲得第一臨界速度以下的恒轉矩特性。我們把這種控制

34、方式叫做電流斬波控制(Chopped Current Control，簡稱ccc)。在第一臨界轉速和第二臨界轉速之間，這是可以保持電壓不變，調節(jié)角度來獲得恒功率特性，該控制方式為角度位置控制。當速度增加，由于受控制的條件已經(jīng)達到上限，SR電機呈勵磁特性運行。這兩個臨界點是SR電機運行的一個關鍵特征?？刂谱兞康牟煌M合，是在速度軸上兩個臨界點的不同分布，采用不同的需求控制，得到想要的機械性能，SR電機的良好調速性能也就表現(xiàn)在此。2.7SRD系統(tǒng)的位置信號檢測SRD系統(tǒng)有電流、位置和速度三種反饋信號。SRD系統(tǒng)在起動和低速運行時，調節(jié)相電流的大小一般采用電流斬波控制來執(zhí)行;即便在APC模式下，以避

35、免系統(tǒng)過載或出現(xiàn)故障的情況，就需要監(jiān)測實際的繞組電流。故在當前的SRD檢測系統(tǒng)中電流檢測是必不可少的。作為一種高性能變速系統(tǒng)，SRD系統(tǒng)為保障系統(tǒng)良好的動態(tài)和靜態(tài)性能，我們必須依靠速度控制環(huán)節(jié)，這是我們就需要精確的速度信號來保障。因此，目前，三個檢測信號反饋直接關系到SRD系統(tǒng)的性能操作。為了確定位置檢測器定轉子的相對位置，控制相應的相繞組通斷，才需要對位置檢測。常見的位置檢測器有很多種方案。為了提高工作可靠性和高速性能指標，這里SRD系統(tǒng)采用“無位置傳感器”檢測法。 圖2.7.1 光電位置檢測器電路原理圖如圖2.7.1為光敏式位置檢測器的電路原理圖，該檢測器是應用最多的一種，它是由光點耦合開

36、關和遮光盤 組成。SRD系統(tǒng)一般用的是槽型光電開關，其結構一般呈U型，其發(fā)射器(發(fā)光二極管)和接收器(光敏三極管)是對位于U型槽兩側，形成一光軸，當經(jīng)過一個U型槽的物體能對光軸起阻斷作用時，光電開關就立刻產(chǎn)生開關信號。若SR電機有m相，光電藕合開關可以有m個或m/2個(其中m為偶數(shù))，則兩個相鄰光電藕合開關之間的夾角公式如下: 或 K(1,2) (2.1) 圖2.7.2 位置傳感器 圖2.7.3 基本位置信號在基本位置信號的檢測，就四相8/6極SR電動機，可以采用四個，也可以采用兩個光電開關檢測轉子位置，這里我們采用兩個光電開關檢測。當使用兩個光電開關檢測時，需要調整好這兩個光電開關之間的夾角

37、度數(shù)，這里的角度選擇有,與75，其安裝位置也有很多選擇。圖2.7.2顯示了傳感器安裝位置的一種方法，在某相定子繞組中心線位置安裝一個光電開關，再順時針轉過安裝另一個光電開關，遮光盤的齒槽等分為。電路通電后，可輸出兩路周期為、間隔為的脈沖序列。如圖2.7.3所示，通過邏輯位置信號變換的兩路信號，可以用于控制四相繞組開關。這種檢測方法將不對齊位置(轉子槽中心線與定子極中心線對準位置)定義為角度基準點，比較直觀，易于控制。 圖2.7.4 位置傳感器電路圖為了消除干擾，采用滯環(huán)比較器電路防止邊沿抖動，用具有整形功能的非門來整形。圖2.7.d為位置傳感器電路圖。第三章 SR電機控制器硬件電路的設計3.1

38、控制器的整體構成 控制器覺得著電動自行車的性能，相當于系統(tǒng)的神經(jīng)中樞發(fā)出控制命令及處理各種異常情況。它的作用是：1. 提高電機和蓄電池的效率，節(jié)省能源；2. 保護電機和蓄電池；3. 降低電動自行車在收到破壞時的損傷程度；4. 使電動自行車操作靈活舒適；5. 保障使用者的人生安全。 圖3.1 系統(tǒng)控制原理框圖如圖3.1所示，系統(tǒng)控制原理框圖的幾個重要組成部分： 1.核心微處理器ATmega48; 2.電源電路; 3.系統(tǒng)功率電路及MOSFET的驅動電路; 4.轉子位置信號處理電路; 5.轉速給定部分; 6.電流檢測和保護部分。3.2系統(tǒng)硬件概述 任何一個控制系統(tǒng)都離不開軟件程序賴以實現(xiàn)的物質基礎

39、硬件電路系統(tǒng)的支持。本設計選用AVR單片機ATmega48為主控芯片，ATmega48具有豐富的I/O口、A/D轉換器、定時器/計數(shù)器、PWM通道等資源，為實現(xiàn)開關磁阻電機的控制、換相檢測等提供方便 ，且具有強大高速的運算處理能力，簡化了硬件的設計，再采取“硬件軟化”的設計理念，利于我們設計的簡潔性。3.3 ATmega48的外圍電路設計ATmega48單片機是集計算機（RISC）結構的低功耗8位CMOS微控制器。具有先進的指令集及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，它的數(shù)據(jù)吞吐率可以達到16MIPS/MHz，可以減緩系統(tǒng)在功耗和速度處理之間的矛盾。AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器，這些寄

40、存器與算數(shù)邏輯單元都直接連接，可以提高代碼效率。 ATmega48內部集成了較大容量的存儲器和豐富的硬件接口電路，I/O口增加了引腳電平變換的功能，并且在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。3.3.1系統(tǒng)時鐘的選擇ADC配有自己特定的時鐘，下表是幾種通過Flash熔絲位選擇的時鐘源。先是時鐘輸入到單片機內的時鐘發(fā)生器，然后再分配于各個相對應的模塊中去。振蕩頻率是由ATmega48內置的RC振蕩線路產(chǎn)生，但是由于RC振蕩的準確性不理想，不符合本系統(tǒng)的要求，這里我們選用外部晶振線路。圖3.2.1是外部晶體振蕩器連接圖 ，其中XTAL2引腳是反向放大器的輸入口，而XTAL1則是輸出口。 圖3.2.1

41、外部晶體振蕩器連接圖我們這里的是一個低功率振蕩器，它的輸出電壓擺幅很低。它的功耗低到不能觸發(fā)其他時鐘的輸入，這里C1和C2電容是一直保持一樣的大小。本文的振蕩器選擇使用石英晶體下表給出了其電容選擇范圍。 3.3.2ISP下載接口設計圖3.2.2為ISP下載接口電路，不需要任何的外圍零件。使用雙排25插座。由于沒有外圍零件，故PB5 (MOST)、PB6 (MISO)、PB7 (SCK )、復位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾。圖3.2.2 ISP下載接口電路3.3.3 AD轉換電源的降噪設計需要獨立的AD電源給芯片供電的原因是為了減小AD轉換時的電源干擾。如圖3.3所示， AVCC引腳單獨提

42、供ADC電源。ATmega48一般使用自帶的電壓，該電壓為2.56V。為了理想的抑制噪聲，一般都在AREF端接解耦，這里我們選取電容（C4）大小為0.1接地進行解耦。圖3.3 AD轉換濾波線路3.4復位電路的設計圖3.4 復位電路ATmega48自己帶有上電復位設計，內置于熔絲位里，它可以控制復位時的額外時間如圖3.5為設計的復位電路。外加電容C30的作用是消除干擾和雜波，同時增加了復位電路的可靠性。D3的作用有兩個:一是將復位輸入的最高電壓鉗制在VCC+O. 5V左右，二是當系統(tǒng)斷電時，將R32 (10k)電阻從電路中分離開，這樣C30就能迅速地放電，就能保障在下一次通電時有效的產(chǎn)生復位。

43、在AVR單片機工作時，按下RST開關時，復位腳變成低電平，這樣就能觸發(fā)AVR單片機芯片復位。在實際應用中，復位電路不需要外圍電路，一般都用看門狗來直接控制AVR單片機的復位。3.5電源電路和電壓采樣電路3.5.1 電源電路電動車是靠電壓為48V的蓄電池供電，而在控制電路中用到的芯片的工作電壓有15V和5V不等，這是我們需要將48V的電壓進行電平轉換。如圖3.5.1所示，LM7815CT和LM7805CT是三端集成穩(wěn)壓器，電容C7，C8，C9,C10的接入目的是通過實現(xiàn)頻率補償來避免穩(wěn)壓器產(chǎn)生的高頻干擾，C11是電解電容，以減小輸入電源引入的低頻干擾給穩(wěn)壓器帶來影響。該穩(wěn)壓器電壓有著穩(wěn)定輸出、自

44、帶保護功能、小體積、高性價比、還能穩(wěn)定可靠運作。LM7815的輸入電源不高，故這里需要將48V電源分壓。正常運作時，功率電阻R1能分壓12V，晶體管NPN也能分壓18到19V，那么到達LM7815的電壓只有18V左右，正好能使LM7815正常工作。圖3.5.1 電源轉換電路3.5.2電壓采樣電路電動車電池提供動力能源，隨著時間的增加，使用電池的電壓會一直下降，當下降到某一值時且電動車還在運行將會因蓄電池放電過深而會嚴重損害蓄電池的壽命，這里我們設計了一個電源電壓采樣電路，如圖3.5.2所示，通過電子的分壓作用，把48V電源電壓分到SV以下，分壓后的電壓信號再經(jīng)過RC濾波線路輸入到單片機的ADC

45、口。其中二極管1N4148的作用是將輸入信號的最高電壓鉗制在VCC+O. 5V左右。根據(jù)該電壓信號，單片機會及時的進行欠壓保護。圖3.5.2 電壓采樣電路3.6系統(tǒng)功率電路及MOSFET驅動電路的設計3.6.1系統(tǒng)功率電路在SRD的設計過程中，功率變換器占據(jù)了成本的主要份額，其性能的好壞對系統(tǒng)的性能有著直接影響。能源供應的開關磁阻電機功率轉換器，主要是起其關斷作用，能源儲存的控制繞組關閉電源以提供反饋信息和路徑。功率變換器的設計與開關磁阻電機、控制器的設計密切相關，適用任何開關磁阻電機的不同控制方式的功率變換器是不存在的。本文設計的功率變換器需要滿足一下要求： (1開關設備的數(shù)量應盡可能的減少

46、花費; (2)電源電壓需全部供能給電機繞組;(3)開關器件盡量靠近電源電壓量;(4)加在繞組的電流能迅速增加; (5)能對相電流進行有效調制;(6)能把繞組儲能回饋給電源。SRD系統(tǒng)的功率變換器電路結構主要有以下五種:雙開關型主電路，雙繞組型主電路，電容分壓型主電路，H橋型主電路，公共開關型主電路。功率變換器的形式多種多樣，這些與供電電壓、電機相數(shù)和開關器件的種類等有密切關系。鑒于這種考慮，本文采用的是H橋型主電路。H橋型主電路是四相開關磁阻電機經(jīng)常應用的主電路形式，同時也只適用于四相或四的倍數(shù)相SRM。圖3.6.1為本文設計的功率變換器電路，H橋型主電路比四相電容分壓型功率變換器主電路少了兩

47、個串聯(lián)的分壓電容，換相相的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位的較大浮動。它要求每一瞬間上、下橋臂必須各有一相導通。本電路特有的優(yōu)點是可以實現(xiàn)零電壓續(xù)流，提高系統(tǒng)的控制性能。電解電容的作用是對整流電路的輸出進行濾波，同時也吸收電流回饋。合閘是，R1充當充電電阻，用來避免浪涌電流的濾波電容關閉時有過多的電流沖擊。當電機起動后，開關閉合，R1就會被短路。R為用于電流環(huán)控制和硬件過流保護的取樣電阻。 圖3.6.1 功率變換器電路在此電路中，SR電動機采用兩相通電的工作方式，調速是用斬波控制來實現(xiàn)，本文采用的是兩相斬波模式。3.6.2 MOSFET驅動電路MOSFET所需

48、的驅動電流比較大，單片機不足以提供，所以還需要另外添加驅動。MOSFET常用的驅動模塊EXB841，由于EXB841的驅動電路和器件比較大，不太適合裝在電動自行車上，故這里選用集成電路芯片IR2103來驅動MOSFET。 圖3.6.2 SR電機通電邏輯我們選取的是8/6級開關磁阻電機，它的通電邏輯如圖3. 6.2所示，對換相邏輯的分析，再設計MOSFET真值表，得出IR2103的驅動電路如圖3.6.3所示。但是由于上橋和下橋都導通的狀況不會在一塊IR2013驅動信號上得到，所以我們我們把單獨的IR2103驅動用到個個相上。對于B和D相，驅動是LO，的作用是接收A相和C相發(fā)出的驅動信號，期間HI

49、N處于低電平狀態(tài)且保持不變；對于A和C相則相反，HO為驅動，HIN為負責接收B、D驅動信號，則處于高電平狀態(tài)且保持不變。 圖3.6.3 IR2103驅動電路3.7轉子位置信號處理電路圖3.7為位置檢測電路圖。位置傳感器發(fā)出的兩路信號需要通過TLP521（TLP521為光耦，對信號其隔離作用），在傳送給AVR單片機前還需要對信號整形，其中選取的是施密特反相器進行整形。其中 CAP 1 引腳接收到一相信號，接收到信號的同時，單片機內的計時器（T/C 1）會立刻對該信號的捕獲時刻進行記錄，再通過與前一次信號的捕獲時刻對比，就能得出它們的平均速度，這里我們可以把它當成該時刻的瞬時速度，因為2個捕獲信號

50、的時間間隔相當小。 圖3.7 位置檢測電路圖3.8電流檢測和保護電路 圖3.8 電流檢測和保護電路如圖3.8為電流檢測和保護電路的電路圖，這里的電壓是從采樣電阻上得到的，還需要經(jīng)過放大，其中輸入單片機ADC口的，實現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制和軟件的過流保護；其中通過比較器的，可以比較實際電流和給定上限值的差距，如果實際電流比設定的電流上限值大時，比較器就會輸出低電平信號，這里設低電平信號為OC，此時的OC就會相與于換相和PWM信號。若OC為低電平，則MOSFET就會出現(xiàn)都不導通的狀態(tài)，此時電流就會下降，就會出現(xiàn)實際電流比設定電流上限值小的時刻，這是OC就會從低電平上升為高電平，MOSFET就會被導通，

51、這樣一個一個的無限循環(huán)，就是一個限流的作用，通過這些循環(huán)就能對電路起到過流保護。第四章 驅動器的軟件設計一個能正常運轉的控制系統(tǒng)，只有硬件是不夠的，同時還需得到軟件的配合。硬件是軟件工作的基礎，軟件是硬件運行的保障，兩者是相輔相成的。根據(jù)硬件電路的設計，本章對系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方法的設計和研究。4.1總的設計思路軟件設計首先要把主要子程序進行模塊分類，然后要使各程序之間發(fā)生關聯(lián)，需要再進行編程處，這樣一個完整的軟件程序就出現(xiàn)了，下面是各模塊的設計。4.1.1主程序圖4.1 主程序流程圖主要程序是任何方案的重要組成部分，是整個過程的入口。圖4.1為主程序流程圖。程序啟動時，首先是微控制器的硬件發(fā)生初

52、始化，接著單片機才將根據(jù)要求完成工作。當手柄擰ADC的微控制器時，通過給定的采樣速度信號，控制電動車的操作，而信號電平根據(jù)每個給定數(shù)量的導通信階段的地位。為了減少中斷的運行時間，本文還需要把速度環(huán)和電流環(huán)編到主程序中去。我們將它設為死循環(huán)，只有當有干擾時，程序將運行在中斷向量的服務程序中斷，該程序在其他時刻表現(xiàn)為實施周期。在循環(huán)等待中，第一個標志信號的變化，以確定在1的位置，然后電機旋轉，位置信號變化了，那么該標志計數(shù)器清0，在0時，那么電機不轉，計數(shù)器還在運作，當計數(shù)達到2秒時電機堵轉，看門狗復位。這改變了在換相中斷服務程序信號位置設置為1.當一個位置變化時，信號電平運行中斷服務程序。 4.

53、1.2初始化程序初始化主要是對硬件系統(tǒng)進行初始化，硬件系統(tǒng)的初始化包括引腳的初始化、定時器/計數(shù)器T/C1的初始化、定時器/計數(shù)器T/C2的初始化、ADC的初始化和看門狗初始化。脈寬調制所產(chǎn)生的T/C2，PB3引腳微控制器，使用相位修正PWM模式，模型提供了一個獲得高精度相位修正PWM波形的生成選項，用戶的使用成果更為精確。定時計數(shù)器多次從底部到頂部，從TOP，然后回到底部。在定時計數(shù)器在頂部計數(shù)，OCR2A和TCNT2出現(xiàn)匹配時，PB3將被清除為零，且處于低電平狀態(tài)；若底部出現(xiàn)一個匹配事件時，PB3將被置高。該操作為雙斜波操作，其具有較低的最大運行頻率，又有其優(yōu)異的對稱性，非常適合用在電機控

54、制上。4.2各功能模塊的設計4.2.1位置檢測模塊這個函數(shù)模塊通過AVR單片機的輸入捕捉單元比較方案來實現(xiàn)的。AVR的16位定時器/計數(shù)器T/C1，T/C1輸入捕捉單元，它可以捕捉到的外部事件，給他們的時間戳記表明其發(fā)生的這一刻的時間。外部事件觸發(fā)信號輸入引腳工作可以通過比較，模擬來實現(xiàn)的單位。時間標記可以用來計算時間頻率，占空比、責任周期和其他特征的信號，也能創(chuàng)造出一個日志事件。我們用兩個間隔采集到的信號來計算電動自行車的速度。 圖4.2 輸入捕捉單元方框圖如圖4.2所示，為輸入捕捉單元方框圖。當邏輯電平的變化發(fā)生在ICPI引腳上，而這種變化程度是由邊緣檢測確認后，輸入捕捉就會被觸發(fā)：TCNT1的十六位輸入捕捉數(shù)據(jù)寄存器復制到工作的CRL，而輸入捕捉標志功能量脈沖CF1工作集。如果在這個時候ICIEI等于1，捕捉將會被中斷。而此時CIF也會自己進行清0工作，或者通過軟件在其相應的I/O位置編輯進邏輯“1”來實現(xiàn)清0工作。設置ICNC1=1，使噪聲抑制與一個簡單的數(shù)字濾波方案，提高了噪聲抑制系統(tǒng)噪聲的免疫力。它攜帶的4倍采樣觸發(fā)信號輸入。 4個樣本只有當輸出將等于邊緣檢測器。噪聲抑制器啟用時，在輸入的變化進行更新ICR1之間將增加4個系統(tǒng)