1 引言

開關(guān)磁阻電動機(jī)是磁阻電動機(jī)與電子開關(guān)驅(qū)動控制器組成的控制裝置，又稱開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(Switched Reluctance Motor drive,簡稱SRD)。電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅固，運(yùn)行可靠，系統(tǒng)具有啟動轉(zhuǎn)矩高、啟動電流低、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)動系統(tǒng)以及無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的強(qiáng)有力競爭者。目前，SRD已用于多個領(lǐng)域，如：電動車驅(qū)動、家用電器、伺服與調(diào)速系統(tǒng)等許多領(lǐng)域。

本文設(shè)計了一個以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，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到最小磁阻位置時，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，A相勵磁，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)子便按逆時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動起來。反之，依次給B-A-D-C相繞組通電，則轉(zhuǎn)子會按順時針方向轉(zhuǎn)動。

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，A相繞組從電源上吸收電能，而S1或S2斷開時，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，系統(tǒng)效率高。

2 SRD系統(tǒng)硬件設(shè)計

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電動機(jī)是整個系統(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、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信號，從而控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對SR電動機(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極磁阻電動機(jī)作為系統(tǒng)控制的實驗平臺，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兩相同時導(dǎo)通，循環(huán)導(dǎo)通工作。若V1，V3同時導(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，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控制信號通過驅(qū)動電路來進(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，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占空比可調(diào)的PWM信號，這個PWM信號使得在SR電機(jī)的相繞組兩端電壓的變化，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的。

3 SRD系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

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，輸入給定信號及當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的檢測，進(jìn)行判斷和計算，輸出合適的電流控制與換相控制信號。它由前臺程序和后臺程序組成，如圖4所示。其中后臺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，閑時循環(huán)程序。前臺程序由四個中斷程序組成，它們位置中斷程序、軟件定時器中斷，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)的軟件去抖動處理，當(dāng)確實有鍵按下時進(jìn)行相應(yīng)的判斷，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動。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)的啟動與制動，當(dāng)在運(yùn)行時根據(jù)速度的偏差輸出相應(yīng)的PWM信號。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)啟動前閃爍顯示給定轉(zhuǎn)速，啟動后給定實際轉(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位置傳感器輸出的方波信號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。定時器中斷實現(xiàn)主循環(huán)定時，電流采樣，電流斬波等功能。而外部中斷程序則實現(xiàn)外部鍵盤輸入功能。串行口中斷則是實現(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)接到啟動命令時，，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，按啟動邏輯給出相應(yīng)的輸出信號，該信號通過功率變換器向電機(jī)繞組供電，使電機(jī)開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度時，控制電路根據(jù)位置傳感器信號的變化通過功率變換器使電動機(jī)通電相位改變。運(yùn)行時，根據(jù)給定速度與實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。當(dāng)操作命令改變時，如反轉(zhuǎn)，停車，制動時，控制電路再次改變工作邏輯，通過功率變換器使電動機(jī)實現(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

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，并顯示實際運(yùn)行轉(zhuǎn)速。應(yīng)用該軟件，可以實現(xiàn)PC機(jī)對電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停車、制動以及給定具體轉(zhuǎn)動速度。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)動電路、主電路及磁阻電動機(jī)構(gòu)成完整的SRD系統(tǒng)。對一臺2KW的開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行調(diào)速實驗，實驗結(jié)果表明開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單堅固、調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能優(yōu)異、而且在整個調(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)計的要求。