一種單片機控制開關磁阻電機調速系統

摘 要：本文基于三相12/8極開關磁阻電動機，以STC單片機為核心控制單元，設計了一種開關磁阻電機調速系統（Switched Reluctnaee Drive，SRD），給出了功率變換器主電路、過流保護電路、單片機外圍電路以及鍵盤與顯示電路等硬件結構，編制控制系統軟件，并完成了樣機試驗。

關鍵詞：開關磁阻電機；STC單片機；調速系統；實驗；

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-01

開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM）具有大啟動轉矩、寬調速范圍、高系統可靠性等優異的性能，目前已被電動汽車等多個行業所接受，成為世界各國研究和開發的熱點。

開關磁阻電動機調速系統是磁阻電動機與電子開關驅動控制器組成一體的控制裝置，是一種新型機電一體化交流調速系統，主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器以及檢測器四部分組成。

一、調速控制系統

本調速系統的控制方式是：在低速運行時，固定開通角和關斷角，采用PWM控制；高速運行時，采用變角度PWM控制。

（一）轉速調節器設計

仿真對比分析表明：PI轉速調節器在高轉速范圍內會有一定的靜差，而模糊控制可以得到比較理想的轉速響應波形，且對SRM非線性有一定的適應性，因此本文采用模糊控制。

（二）SR的啟動策略

采用雙相啟動方式，PWM調壓控制下占空比在啟動階段不能一次加大，而須采用軟啟動的方法，占空比采用每隔一段時間逐次加一。12/8電機啟動時采用兩相啟動策略，啟動順序如AB-BC-CA-AB。

（三）調速控制策略

當電機處于低速時，固定開通角和關斷角，通過調整電源電壓的斬波占空比，以調節電源加在相繞組上的有效時間來改變電機轉速。

當電機轉速較高時，通過調整開通角和關斷角，可有效調整磁通，進而調節電機轉矩，從而調節電機轉速。

（四）停車控制策略

開關磁阻電機運行過程中不斷減少PWM的占空比，或者在轉軸上施加一個方向與SRM旋轉方向相反的轉矩，即可實現制動，使相電流主要出現在電感下降區即可得到制動轉矩。

二、基于STC單片機的SRD硬件設計

本文以STC12C5616AD單片機為核心開發了開關磁阻電機調速系統，控制系統硬件組成結構圖如下圖1：

（一）轉子位置檢測電路

本設計采用全數檢測方案，光電式光敏式位置檢測器，經兩極反相器整形消除干擾。

（二）相控信號輸出

開關磁阻電動機在運行時需按照嚴格的邏輯控制，驅動信號與位置信號和控制信號的邏輯關系如下：

（1）

（2）

（3）

上式中，TATBTC依次分別為A、B、C相繞組的驅動信號，ZF為控制轉向的開關量，ZS為控制電動和制動的開關量。

（三）SRD功率變換器

功率變換器采用三相不對稱半橋電路，功率變換主電路電路圖如下：

（四）電流檢測電路

電流檢測采用三相六拍通電方式，即A-AB-B-BC-C-CA-A，用三只霍爾電流傳感器分別檢測三相電流。

三、SRD軟件設計

系統軟件完成對位置信號，輸入給定信號及當前運行狀態的檢測，進行判斷和計算，輸出合適的電流控制與換相控制信號。系統程序由前臺程序和后臺程序兩個部分，如圖3。后臺程序包括初始化程序，鍵盤掃描程序，調速控制程序，顯示程序；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。

四、樣機與試驗

調速樣機試驗系統由計算機、Keil軟件、控制器（單片機系統）、功率變換器、SRM、直流電源、示波器等組成。

調速樣機系統試驗用模糊轉速閉環調節器控制算法，在給定轉速分別為400r/min、600/min、800/min和1000r/min條件下進行了一系列實驗，運行狀態良好，達到了設計目的和要求。

五、結束語

本文根據開關磁阻電機基本工作原理和有關控制策略，設計開發了一種以STC12C5616AD為核心的開關磁阻電機調速系統，樣機系統的試驗運行表明了該設計方案的可行性。

參考文獻：

[1]孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制[J].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]董少明.基于工業環境下單片機應用系統硬件抗干擾技術的研究[J].電腦知識與技術，2009（03）.