开关磁阻电机系统设计(共55页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上前 言80年代以后，开关磁阻电机调速系统的性能指标高于其他传统的传动系统。因以结构简单、运作可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统有力的竞争者。目前，开关磁阻电机已广泛应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通运输等行业。美国、英国、韩国已在家用电器中进行了应用，并取得了良好的效果。开关磁阻电动机是磁阻电机与电子开关驱动控制器组成一体的控制装置，又称开关磁阻电动机调速系统。它融新型电动机结构与现代电力电子技术、控制技术一体，兼有交流变频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用、无刷、无整流子和直流调速系统的调速性能好、控制电

2、路简单、输出特性变化灵活、能频繁正反转和起、制动、在负载和转速变化时均有较高效率以及能适应恶劣环境等优点，是一种性能价格比较高的无级调速系统。它有许多卓越的性能，如： 启动特性好，启动电流小，为额定电流的30%，而启动转矩是额定转矩的23倍； 低速特性好，真正意义上的永恒转矩； 调速范围广，稳速精度高； 标准的四象限运行，在有良好的启动性能的同时，还具有出色的制动性能； 效率高，即在全调速范围内的高效率，节约能源是其突出的优点。需要特别说明的是，本设计是在老师谢卫才的悉心指导下完成的，同时，同组同学也给了很大的帮助，是大家同心协力辛勤工作的成果。论文编写过程中还吸取了谢卫才老师的殷殷教诲。作者

3、还要特别感谢本班同学向滔、尹湘宇、米建华等在设计过程中给予的关心、意见和支持。鉴于作者对相关领域知识的了解深度和对可编程逻辑器件本身认识的局限性，文中难免有不足和谬误之处，诚挚地希望老师们批评指正。 目 录4致谢38开关磁阻电机系统设计摘 要：在此次设计中，主要是系统的介绍开关磁阻电动机驱动系统的基本结构和基本工作原理，并依此为基础简要的进行开关磁阻电动机驱动系统的设计；重点分析和详细的说明了开关磁阻电动机驱动系统的执行元件开关磁阻电动机的结构、控制原理和控制策略，并根据给定的电动机的额定数据进行电机的主要参数、主要尺寸、电磁方案的计算、性能的核算和控制方案研究开关电磁电阻调速电动机(Swit

4、ched Reluctance Drive 简称SRD)是继变频率调速系统、无换向器调速系统之后发展起来的新一代调速系统，性能价格比为当前最优的现代调速系统之一。它有许多卓越的性能，如： 启动特性好，启动电流小，为额定电流的30%，而启动转矩是额定转矩的23倍； 低速特性好，真正意义上的永恒转矩； 调速范围广，稳速精度高； 标准的四象限运行，在有良好的启动性能的同时，还具有出色的制动性能； 效率高，即在全调速范围内的高效率，节约能源是其突出的优点。关键词：开关磁阻电动机驱动系统；开关磁阻电动机；电磁设计； 转矩的脉动Design of the Switch electromagnetism e

5、lectric resistance electric motorABSTRACT：Here a design inside, primarily is basic construction that system of the introduction switch electromagnetism electric resistance electric motor drives the system with basic work principle, and drive the design of the system for the proceeding switch electro

6、magnetism electric resistance electric motor of the foundation synopsis according to this; Point analysis with expatiation the switch electromagnetism electric resistance electric motor drives the construction, control principle that system carry out a dollar a switch electromagnetism electric resis

7、tance electric motor with control the strategy, and according to electric motor that to the sum predestination that settle according to main parameter, main size.The switch electromagnetism electric resistance adjusts soon electric motor( Switched Reluctance Drive brief name SRD) is after change the

8、 frequency adjust soon system, have no to change to adjust to machine soon system after the new generation that develop adjust soon system, the function price ratio is current superior modern to adjust soon one of the systems.It has many outstanding functions, such as:The starts the characteristic g

9、ood, start the electric current small, settle 30% of the electric current for the sum, but start the torque is a sum to settle the torque of 2 3 times;The low speed characteristic is good, real the abyss of time on the meaning torque;The adjusts soon the scope is wide, steady soon the accuracy is hi

10、gh;The is standard four quadrants circulate, at have to start the function goodly at the same time, still have the outstanding system move the function;The efficiency of the Switched Reluctance Drive is high, within the scope of all adjust soon high-efficiency, the economy energy is its outstanding

11、advantage.Key words: The switch electromagnetism electric resistance electric motor drives the system;Switch lectromagnetism electric resistance electric motor;Electromagnetism design;Turn the pulsation of the torque第1章 概述磁阻式电动机诞生于160年前，但在此后漫长时期内，它一直被认为是一种性能（效率、功率因数、利用系数等不高的电动机，故仅应用于少数小功率场所。70年代初，美国

12、福特电动机（Ford Motor）公司研制出最早的开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctance Drive）。70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。80年代以后，开关磁阻电机调速系统的性能指标高于其他传统的传动系统。因以结构简单、运作可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统有力的竞争者。目前，开关磁阻电机已广泛应用于纺织、冶金、机械、石油、化工、航空、交通运输等行业。美国、英国、韩国已在家用电器中进行了应用，并取得了良好的效果。开关磁阻电动机是磁阻

13、电机与电子开关驱动控制器组成一体的控制装置，又称开关磁阻电动机调速系统。它融新型电动机结构与现代电力电子技术、控制技术一体，兼有交流变频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用、无刷、无整流子和直流调速系统的调速性能好、控制电路简单、输出特性变化灵活、能频繁正反转和起、制动、在负载和转速变化时均有较高效率以及能适应恶劣环境等优点，是一种性能价格比较高的无级调速系统。然而，作为SRD主体的磁阻电机，尽管电磁原理和结构相当简单，但磁路周期性变化并存在严重的局部饱和，其设计和性能分析与传统的电机差异较大，不可能完全按照传统的设计方法和理论进行该电机的电磁性能设计，因此在设计中，应给予足够的重视。在电机的控

14、制方面，若对SR电机运行特性和控制方式缺乏了解，亦难以制定合理的控制策略，而控制策略的合理与不合理，关系到电机是否能达不到期望的运行性能，因此，必须在正确的理论指导下，设计出合理的控制策略。 由于这是第一次搞设计，设计经验不足，知识结构不够完备，在最大可能占有相关资料的前提下，完成了此次设计任务，因此存在许多不足之处。可能本设计结果和工厂的实际生产设计有所不同，但本次设计为以后到工厂搞设计积累了宝贵的经验。在这一个多月的设计中，由电气系老师谢卫才担任指导，在设计过程中谢老师给予了悉心的指导和热情的帮助，在此对谢老师谨致诚挚的谢意。本次设计难免有不少错误的地方，敬请各位老师提出加以指正。由于开关

15、磁阻电动机是一个系统，而作为它的执行元件SR电动机其本身无法单独工作，因此，本次设计是从开关型磁阻电动机驱动系统出发。1.1 开关磁阻电机的优点与缺点1.1.1 开关磁阻电机的优点：电动机转子无绕组，成本低；电动机可高速旋转而不变形；转子转动惯量小，易于加、减速。定子线圈嵌装容易，端部短而牢固，热耗大部分在定子，易于冷却；转子无永磁体，可有较高的最大允许温升。具有再生作用。转矩方向与相电流方向无关。只要控制开关主器件的导通关断脚，即可改变电动机的工作状态，即只要控制各相在不同电感区域内的瞬时电流，即能四象限运行，无须辅助电力电子开关器件，故可减少电动机功率变换器的开关器件数，降低系统成本。在宽

16、广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率。起动转矩大，适用于危险环境，控制灵活。1.1.2 开关磁阻电机的缺点就目前的发展水平而言，SR电动机存在的主要缺点是：用的是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机。脉动较大，通常SR电动机转矩脉动的典型值为15。由转矩脉动所导致的噪声及特定频率下的谐振问题也较为突出。相数较多，主接线越多。需要根据定、转子相对位置投励。不能象笼型异步电动机那样直接接入电网作稳定运行，而必须与控制器一同使用。1.2 开关磁阻电动机应用和发展开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，作为调速驱动应用呈现显著的特点：l 最低的电机制造成本。l 转子极其简单，既无永久磁钢

17、又无绕组。l 在宽广的速度范围内均具有高效率。l 最高的故障容错能力。l 很强的高温环境适应能力。这些优点使得开关磁阻电机存在许多潜在的应用领域，在各种需要调速和高效率的场合，从小功率电机到大功率电机，均能提供所需的性能要求。自1980年英国成立世界第一家开关磁阻电机的驱动装置有限公司，在1984年的一次国际销售会议上推出了422KW四个规格的系列产品。近20年来，随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，开关磁阻电机的发展取得了明显的进步，以成功的应用于电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械等各个领域，功率范围从10K到5MW，最大转速高达r/min。理论上，开关磁阻电机具有最低的电机、控制

18、器及功率变换器的制造成本，但由于发展的时间较短，目前大多数控制器及功率变换器采用的是分离元件或通用芯片，使成和可靠性受到一定的影响，也一定程度上影响了开关磁阻电机的推广应用。一旦实现集成化、模块化，必将使开关磁阻电机的应用产生质的突破。第2章 开关磁阻电动机工作原理与结构2.1 开关磁阻电动机的工作原理2.1.1 基本结构开关型磁阻电机驱动系统（英文全称为Switched Reluctance Drive缩写为SRD）主要由开关型磁阻电机（英文全称为Swithd Reluctance Motors缩写为SR电动机）、功率变换器、控制器和位置检测器四部分组成，其基本框图如图1所示。其中SR电动机

19、和位置检测器组成一体，功率变换器、控制器和电源是跟SR电动机相对独立的电子电气装置。 SR电动机是整个系统的执行部件，它采用双凸极结构，磁路的磁阻变化较大。定、转子极数不同，转子仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体；定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。SR电动机遵循“磁阻最小原理”，产生的磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩而使转子转动。功率变换器向SR电动机提供运转所需要的能量，其本身由蓄电池或交流电源整流后得到的直流电供电。它主要由功率开关和续流等电路组成，实现电能的转换和能量回馈。它的主电路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件种类等有关。位置检测器是转子位置及速度等信

20、号的提供者，是用来确定转子磁极的相对位置。控制器必须借助位置检测器获得的转子位置信息，以保证在恰当时刻接通或断开相应的相绕组，以产生不同的电磁转矩，获得不同的转速、转向及运行状态。控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度返馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信号，从而控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电动机运行状态的最终控制。2.1.2 SRD的工作原理由于不同转子位置处，其相电感L（、i）及L/是不同的，控制相绕组通电时刻即可改变电流的大小及波形，因此产生不同的转速、转向及进入不同的运行状态。SR电机电动机的控制器，根据位置检测器检测到定、转子间的相对位置，按照给定的运行指

21、令导通相应的相绕组的度开关元件。相绕组中有电流流过的产生磁通，转子因受到使其向磁阻最小位置运动的趋而产生的磁拉力的作用而转动，直转子转到被其吸引的定子磁极相重合时为止。同时，控制器根据新的位置信息亲断当前相，而导通下一相，因而转子继续向下一个平衡位置转动。这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑，连续不断地导通和关断相应的主开关，就可以产生连续的同方向转矩，使转子在一定的转速下连续运行。再根据一定的控制策略，控制各相绕组的通断时刻以及绕组电流的大小，使系统处在最佳状态下运行。因此，位置闭环是SRD有别于步进驱动系统的重要标志之一。 2.1.3 SRD的特点开关磁阻电动机驱动系统，综合了交

22、流电动机驱动系统和直流电动机驱动系统的优点，作为一种新型的调速系统，它的电动机本体结构、变换器型式以及控制方式都与众不同。其主要特点有：1 执行元件SR电动机结构简单，制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等优点。2 功率变换器主开关元件少，且每一个开关元件都与电动机绕组串联，从结构上排除了短路故障的可能，不会出现直通现象。3 系统具有良好的动态响应。4 系统的调速范围广、运行效率高、控制参数多、控制方式灵活、易实现正、反转控制及四象限运行。5 系统的噪声大于一般的电动机，且电动机与控制器间的联线较多，这是SRD系统的最度的缺点。2.2 开关磁阻电动机的结构SR电动机是SRD驱动系统的执行元件

23、。它与传统的磁阻电动机相比，具有本质的区别，这是磁阻电动机和电力电子开关电路相结合产生的一种节能型变速电动机。它的结构和工作原理与传统的交直流电动机有着根本的区别。其主要表现在这种电动机不像传统电动机那样，依靠定、转子绕组电流产生的磁场的相互作用形成电磁转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生磁阻性质的转矩。因此，这种电机的原理和控制方法上与其他的电机肯定有不同之处。作为一种新型的电动机，在理论分析与实际应用方面还需要做更多、更细致的研究工作。图2.2所示是开关磁阻电机的典型结构原理图。从原理图上可以看出该电动机在结构上与步进电动机相似，其运行原理遵循“磁阻最小原理”磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，

24、因磁场被扭曲而产生切向磁拉力的磁阻性质的电磁转矩。因此，它的结构原则是：转子旋转时磁路的磁阻要尽可能大的变化。所以SR电动机均采用双凸极结构。图2.2 SR电动机结构原理图图2.2示出四相(8/6)SR 电动机结构原理图。为简单计，图中只画出A相绕组及其供电电路。结构上与步进电动机相似的SR电动机的运行原理亦遵循“磁阻最小原理”磁通总要沿着磁阻最小的路径闭和，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主州线重合。图1-1中，当定子D-D极励磁时，所产生的磁力则力图使转子旋转到转子极轴线1-1与定子极轴线D-D重合的位置，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图中定转子所处的相对位置，则依

25、次给D-A-B-C相绕组通电，转子即会逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B-A-D-C相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。可见，SR电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而取决于相绕组通电的顺序。另外，从图1-1可以看出，当主开关器件S1.S2导通时，相绕组从直流电源吸收电能，而当S1.S2关断时，绕组电流经续流二极管继续流通，并回馈给电源。其运行原理的具体过程如下：当A相绕组电流控制开关S1、S2闭合时，A相励磁，而其他相不通电流，这是，电动机内建立以AA为轴线的磁场，磁场经过定子轭、定子磁极、气隙、转子磁极、转子轭等处闭合。由于通电时定、转子磁极轴线不重合，因此，此时通过气隙的磁力线是弯曲

26、的。按照法拉第电磁力的观点，每根磁力线都被磁力线连着的定、转子沿磁力线方向相互吸引，因而产生的切向磁场力图使转子旋转到转子极轴线aa与定子极轴线AA的重合位置，产生磁阻性质的电磁转矩，使转子转动起来。当转子aa与AA轴线重合时，转子已达到稳定平衡位置，即A相定、转子磁极正对时，切向磁拉力消失，转子不再转动，此时在顺序给BCD相绕组通电（B、C、D各相绕组在图中未画出），则转子便按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给BACD相绕组通电，则转子会沿顺时针方向转动.另外，当主开关管S1、S2导通时,A相绕组从直流电源V吸收电能;而当S1、S2关断时,绕组电流通过续流二极管D1、D2，将剩余能量回馈给

27、电源V.因此，开关磁阻电机具有再生的能力，系统效率高。SR电机的特点：对开关磁阻电机的理论研究和实践证明，该系统具有许多显著的特点： （1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 （2）损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升.能四象限运行，具有较强的再生制动能力。 （3）转矩方向与电流方向无关，只要控制主开关器件的导通关断角，即可改变电动机的工作状态,无须辅助电力电子开关器件,降低系统成本。 （4）功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 （5）起动转矩大，低速性能好

28、，无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。在宽广的转速和功率范围内都具有高效率 （6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩速度特性。 与当前广泛应用的变频调速感应电动机相比，开关磁阻电机在成本、效率、调速性能、单位体积功率、可靠性、散热性等都具有明显的优势或竞争力，图1-1是对几种常用变速传动系统各项主要经济指标所作的比较。表2.1几种常用变速传动系统各项主经济指标所作的比较 系统类型比较项目电 磁调速系统直 流调速系统PWM变频调速系统开关磁阻调速系统成 本 0.8 1.01.5 1.0 额定转速时效率（%）757677831/2额定转速效率（%）38656580电动机容量/体

29、积 0.81.0 0.9 1.0控制能力0.31.0 0.5 0.9控制电路复杂性0.21.01.81.2 可靠性1.3 1.00.91.1 开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，这是变频调速感应电动机难以比拟的。感应电动机要取得与直流电机相近的调速特性需采用复杂的矢量控制系统，而开关磁阻电机通过调整开通角、关断角、电压和电流，可以得到不同负载要求的机械特性，控制简单、灵活，能容易地实现软启动和四象限运行，而且由于这是一种纯逻辑的控制方式，很容易智能化，通过修改软件调整电机工作特性满足不同应用要求。由于开关磁阻电机固有的转矩波动，可能导致较大的噪声和振动，事实上这种情况的发生

30、往往与电机设计和控制的不合理相关，通过优化电机设计和控制策略，转矩波动和噪声完全可以得到有效的抑制. 与变频调速的另一类电机永磁无刷直流电动机相比，开关磁阻电机在成本、调速性能、可靠性和散热性等依然保持优势，但和变频感应电动机一样都存在励磁惩罚（既励磁电损耗）的问题，效率和单位体积功率稍显不足。但在一些应用场合，开关磁阻电机在效率和输出功率依然具有优势。第3 章 开关磁阻电动机电磁设计3.1设计特点本次设计在SR电动机的输出方程为基础上完成SR电动机结构尺寸、绕组匝数确定的，由于输出方程引入了电流系数，使之应用更可靠实用。与传统的电机设计相比，SR电机存在以下显著特点：（1）即使在结构尺寸、绕

31、组匝数、端电压、线规确定之后，其电磁转矩还与控制参数相关。（2）电磁转矩由-轨迹包围的磁共能面积决定，磁化曲线族由不同转子位置的磁化曲线组成，磁路不均匀，计算工作量大、困难。（3）绕组匝数对最小电感值影响较大，影响电流峰值和电磁转矩的计算。（4）存在恒转矩区、恒功率区的调速范围，（5）效率计算困难。因此，在设计中采用了计算机辅助设计方法，完成SR电动机在额定点的电磁设计、效率计算和参数计算。3.2 确定SR电动机额定数据1功率：2电源电压：相电压3额定转速：4额定效率：5调速范围：恒转矩，恒功率6运行方式：连续运行7绝缘等级: 3.3 计算SR电动机的主要尺寸（1） 相数 q=4（2） 定子极

32、数 N=8 （3） 转子极数 N=6（4） 转子端电压UU=1.1=1.1=283V式中，1.1是电容滤波器的存在导致电压升高的系数。主要尺寸的选择 主要尺寸可由型Y-200L-4异步电机“类比设计”。（5） 电磁功率P P=P=30=32.04KW（6） 细长比取=1.3（7） 电磁负荷初选A B 查表取A=32000A/m B =0.357（8） 转子外径D D=174.6mm 取D=174.5mm（9） 铁心叠长l l= D=1.3=226.85 圆整后 取l=226.5mm(10)定子外径DD=D/0.53=174.5/0.53=329.2mm为利用Y-200L-4机座，取D=327m

33、m 则D/D=174.5/327=0.534其他结构尺寸及绕组匝数：（11）气隙取g 参考同功率异步电机取 g=0.65mm（12）定转子极弧 =21 =23（13）定转子极宽b b b=(D+2g)sin =32mmb=Dsin=34.79mm（14）第二气隙g g=b/2=1620g（15）定转子轭高 h=1.3=20.8mm h=1.4=24.35mm（16）轴径 D=D-2(g-g)-2h =174.5-2（16-0.65）-2=95.1mm（17）定子槽深 d=54.8mm（18） 有效铁心长度l=kl=210.6mm（19） 转子极距 =91.32mm（20） 控制参数 额定转速下

34、预取开通角=0关断角=(-)=18.5=0.323rad导通角=18.5=0.323rad（21）每相绕组串联匝数 取B1.6T，重新校核B B=0.8050.4517T N59.38（22） 不对齐位置电感，由程序计算得 L=0.00873H（23） 额定电磁转矩 T(24)额定电磁转矩T所需的理想方波电流幅值I；当取I=28A时，磁共能w=53.9J电磁转矩 T=206N.mT (25)绕组电流有效值 I=19.8A(26)实际电流峰值 i=39.6A定子极间窗口面积 S =1603.2mm(27)导线规格，导线截面积S和槽满率K，预取电流密度J S 由GB1193导线规格表查的导线，S每

35、槽导体净截面积 S槽满率K（28）电流密度 J=（29）绕组平均匝长 bmm a=b b=l+=287.8 r=5+ lr =2 =689.5mm（30）每相绕组导线总长 l=N=59.38 （31）每相绕组电阻 R =0.26参数计算：（32）铜重 G=5.75kg（33）定子铁心体积 V( = 7.043（34）转子铁心体积 V= =2.09（35）铁心重 G =74.05kg（36）电负荷 A=85195.5A/m（37）铜耗 P0.407w（38）电机利用系数 K=27.7kN.m/m（39）电机的效率3.4 计算机辅助设计程序SR电机的计算机辅助设计，主要包括五个部分：一是主要尺寸的

36、计算；二是a(最大电感)磁化曲线计算；三是u(最小电感)磁化曲线计算；四是电机校核程序；五是电机参数计算。主要程序参见附录。第4章 SRD系统控制原理设计4.1 控制系统的总体设计SRD调速系统的控制器，应能实现SR电动机的起动、制动、停车及四象限运行各速度调节功能等功能。根据SR电动机的运行原理，要使电动机获得一定转矩，必须使各相绕组的电流与相应的转子位置同步。因此，控制器应配有对SR电动机转子位置进行检测的转子检测电路，一方面能判断电动机各相的工作区间，以便在正确的相属工作区间对定子绕组电流进行换相。以实现电动机的正、反转。另一方面又能对转子的确切位置进行准确检测。获取其转速，进而通过调节

37、开关角，实现制动和APC方式时的速度调节。同时，控制器还应配有电流检测及斩波电路，使其在速度调节时，此外，控制器还具有控制信号输出逻辑电路和键盘显示等外围电路。 图4.1微机定时对由转子位置传感器获得的反馈速度进行采样，与由键盘的给定速度比较得到速度差，根据此速度差的大小便可进行不同的控制。若检测到的速度较小时，进行PI速度调节；若速度差较大时，实行Bang-Bang调节。然后，软件根据反馈速度的大小（是否速度在基速以上）转换成APC方式，或CCC方式控制参数。低速时进行CCC控制，高速时进行APC控制。微机控制器根据转子位置控制对应绕组的通断，输出对应的PWM脉冲或APC单脉冲，经功率变换器

38、，实现对SR电动机的控制。4.2 控制器的设计 SRD调速系统，是一种新型的交流传动系统，双凸极磁阻电动机的正常运行，离不开可控的开关电路控制器。控制器是控制电动机运行的核心，其性能的好坏直接影响到电动机运行的性能。SR电动机对控制器要求较高，为了满足不同的负载工作特性要求和不同的电机工作方式，需要制定相应的控制策略。在SRD系统中，一般要求控制器具有下述功能：能实现起动、制动、停车及四象限运行；低速时能实现定频调宽电流斩波控制（CCC控制）；高速是能实现角度位置控制（APC控制）；能进行速度PI调节；有对功能键的管理和显示；有对电动机转子的位置和速度的检测。早期的SRD控制系统采用模拟器件各

39、数字集成电路构成，这种系统元器件数量多、结构复杂、体积庞大、成本高、可靠性差、控制不灵活，因而很快被微机控制系统所取代。在我国，早期的SRD微机控制系统采用Z80单片机结构，不是很适合SRD控制系统的特殊要求，因此，推出了51系列单片机。751系列单片机需加接较多的硬件，这对控制器的可靠性有一定影响。由于它是8位机。完成控制算法需要编制大量软件，且执行中耗时，对高于2000R/MIN的高精度调速控制有困难。因此，在本设计中，控制系统采用8098单片机为核心的SR电动机控制器。8098单片机及外围电路设计：8098准16位单片机是MCS-96系列新成员，它特别适用于SRD控制系统，其特点如下：有

40、丰富而高效的指令系统，具有6种寻址方式工，提高了编程及数据处理的灵活性；具有高速输入/输出器（HIS/HSO），可完成电动机转子位置状态的检测，并送出相应的SRD开关角；具有四通道10位A/D模数转换器，当主振12MHZ时，转换速率为22S，可以方便地将转速模拟量转换或可供单片机处理的数字量；具有脉宽调制器PWM，即D/A数模转换功能，可实现电流指令值的模拟量输出；有两个16硬件定时器/计数器、一个16位硬件定时器及四个软件定时器；有8个优先级可编程中断源的中断系统。8098单片机集成度高、功能强、体积小、价格低，这便极大方便了对开关磁阻电动机参数检测及运行控制。本次设计中，SRD控制系统以8

41、098准16位单片机为核心，配以8279等外围接口芯片构成检测、给定、显示、保护等外围电路，再加上驱动电路、主电路及磁阻电动机，便构成了完整的SRD系统。8098单片机及其外围接口电路的原理图如图5.2所示。4.2.1译码电路：8098单片机采用片内数据存储器、片外程序存储器与数据存储器统一编址的普林顿结构，没有程序存储空间与数据存储空间之分。8098单片机有片内RAM256个字节，片外存储器可扩展至64K字节。SR电动机控制简单，相应的及用户程序也很简单。外部只接一片27128（16）EPROM即可，用来存放8098单片机的应用程序。此外为实现键盘显示，另外接了一片8279可编程键盘/显示器

42、接口芯片，通过一片74LS373译码辅助寻址。 8098的P3、P4口向27128提供16位地址总线，面P3口又分时提供8位数据总线。因为P3口是分时复用，为了提高系统可靠性，在单片机与存储器之间，要配以地址锁存器74LS373来暂存外部存储器的16位地址。在8098芯片中，高速输入口HIS。0、HIS。1外接位置检测信号P、Q。高速输出口HSO。0HS为。3用以输出A、B、C三相绕组的通断电流信号。三路A/D转换口用ACH。3作为速度给定模拟量的转换输入口，此外，PWM/P2.5作为电流给定信号的A/D转换输出，EXTINT引脚经一非门与8279芯片的中断请求线IRQ相连。4.2.2晶振及复

43、位电路8098单片机工作时需要一个612MHZ（通常选用12MHZ）的高频振荡时钟信号，此信号再经过三分频，形成三相时钟方可为CPU所用。通常在XTAL1、XTAL2引脚上外接选频元件，通过内部自激振荡器形成高频时钟信号。选频环节一般采用一个12MHZ石英晶振和两个电容器构成并联谐振回路，晶体和电容应尽可能靠近芯片安装，以减小寄生电容，更好地保证振荡的稳定性为了使8098和其他芯片能正常工作，必须进行可靠的复位。在电源电压正常且晶振信号稳定后，RESET引脚上至少保持两个状态周期的低电平，便可使8098复位。当电平升高后，8098开始执行10个状态周期的内部复位序列，完成芯片配置寄存器CCR的

44、写入等初始工作，并从2018地址开始执行程序。在8098进行复位操作的同时，也应对其它芯片，比如8279键盘显示接口芯片等进行复位。若复位配合不好，有可能造成8279还没能完成复位动作，8098就开始运行程序。因此，在设计复位电路应注意这方面的问题。4.2.3斩波电流水平给定电路 8098有一个独特的P2.5脚，置IOC1寄存器的第0位为“1”，可选定它为脉宽调制输出（PWM）功能，对PWM-CONTROL寄存器进行从00H到FFH之间的设置，可使PWM脚输出占空比为0100，周期为64S的PWM波，可对PWM波进行限幅、滤波、高阻放大。在设计中，是把检测到的电流同给定电流水平的上、下限进行比

45、较，当电流高于上限时发出关断信号，当电流低于下限时发出开通信号。因此，要求把从PWM脚得到的单一电流水平，转换成电流水平上限和下限。具体做法是：另外产生两个有足够精度的小电压水平（电压信号）相加，便可完成由一路电流给出两路上、下限的转换。还须指出的是，小电压信号的大小决定了斩波环的宽度，也就是决定了IGBT的斩波频率的高低。4.2.4斩波控制电路斩波控制电路在电动机的各运行速度区段均起作用，即不但在起动和斩波方式下起斩波作用，在单脉冲运行方式时也起着限制绕组电流，使其不超过最大设定值的保护作用。当电动机完成从斩波方式到单脉冲方式的过渡后，对PWM-CONTROL进行设定，使电流水平给定电路给出工作电流的最大值。4.2.5转速给定电路在实际操作中，操作人员一般通过操作杆的滑动来调节电动机的运行状态，也就是通过一个电位器改变电动机的速度。这种速度的给定值是一种模拟量，必须经过A/D模数转换成数字信号，便于单片机对它进行计算和调节。8098单片机内集成有四路采样保持器的10位A/D模数转