高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 （2）适合用于转矩调节系统。当斩波周期T较小，并忽略相导通和相关断时电流建立和消失的过程(转速低时近似成立)时，绕组电流波形近似为平顶方波。平顶方波的幅值对应电机转矩，转矩值基本不受其它因素的影响，可见电流斩波控制方式适用于转矩调节系统，如恒转矩控制系统。
（3）用作调速系统时抗负载扰动性的动态响应慢。提高调速系统在负载扰动下的快速响应，除转速检测调节环节动态响应快外，系统自身的机械特性也十分重要。电流斩波控制方式中，由于电流峰值被限，当电机转速在负载扰动的作用下发生突变时，电流峰值无法自动适应，系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢。 2. 角度控制
开通角θ
on
和关断角θ
off
是开关磁阻电机最主要的控制参数，通过改变θ
on
和θ
off
可实现相电流性质（如电动和制动）、大小和波形的控制，从而可有效调节电机的转矩、转速以及转向。
控制开通角θ持电流。在θ
off
on
和关断角θ
off
。在θ
on
至θ
off
之间，对绕组施加正向电压，建立和维
之后一段时间内，对绕组施加反向电压，使电流续流快速下降，直至消
失。在实际控制过程中，一般采用经过精细调整的低时间常数的锁相倍频器对转子位置基本信号实现高倍倍频，从而获得分辨率较高的角度细分控制。这样在不同的θ
off
on
和θ
控制下，可获得不同波形和幅值的相电流，达到电机调控目的。角度控制的特点： （1）转矩调节范围大。若定义电流存在区间t占电流周期T的比例t/T为电流占
空比，则角度控制下电流占空比的变化范围几乎从0～100%。
（2）同时导通相数可变。同时导通相数多，电动机出力较大，转矩脉动较小。当电机负载变化时，自动增加或减少同时导通的相数是角度控制方式的特点。
（3）电动机效率高。通过角度优化，能使电动机在不同负载下保持较高的效率。 3. 电压斩波控制 在θ
on-θoff导通区间内，使功率开关按
PWM方式工作。其脉冲周期
T固定，占空比T1/ T可调。在T1内，绕组加正电压，T2内加零电压或反电压。改变占空比，则绕组电压的平均值U变化，绕组电流也相应变化，从而实现转速和转矩的调节，这就是电压斩波控制。与电流斩波控制方式类似，提高脉冲频率f =1/T，则电流波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但功率开关元件的工作频率增大。
电压斩波控制的特点：电压斩波控制是通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流，既能用于高速运行，又适合于低速运行。其它特点则与电流斩波控制方式相反，适合于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快，缺点是低速运行时转矩脉动较大。
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计
第3章 开关磁阻电机控制系统硬件设计
本章根据调速系统的功能要求对整个系统的硬件电路进行了方案设计，设计以实用化为目标，其原则是：
(1) 努力提高系统的可靠性。
(2) 从用户角度出发，方便安装、调试、运行、维护。
(3) 在满足要求的前提下，应尽量使硬件系统简单，降低系统成本。
根据系统设计要求，从SRD 系统构成(主要部分为控制器、SR 电机、功率变换器和转子位置检测器)、控制方式及工作过程可见，系统实现方案主要包括以下内容：
功率转换器主电路设计；
微处理控制器与外部元器件的连接； 电动机转子位置检测； 电动机相电流检测； PWM 信号的产生； 速度的测量； 参考速度的输入。
系统硬件设计框图如图3.1 所示：
交流电源 整流 功率变换器 SR电机 整流 电压检测 驱动电路 电流检测 位置检测 给定速度 ARM控制图3.1 系统硬件设计框图
3.1 基于LPC2101 控制器的SRD 系统硬件结构设计
在设计SR 电机控制器时选择了LPC2101 为控制核心。该芯片结构简单、性能高，适用于电机数字控制、工业自动化、串行协议转换、数据采集和遥测等功能，处理能力达到70MHZ(63MIPS)，远远超过传统的8 位微控制器和16 位微处理器的性能，其主要特点如下:
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 ● 32 位ARM7 处理器，极小型LQFP48 封装。
● 2k 的片内静态RAM，8kB 的片内Flash 程序存储器。 ● 128 位宽的接口/加速器使其实现了70MHz 的高速操作。
● 10 位的A/D 转换器含有8 个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44μs。 ● 2 个32 位的定时器/外部事件计数器，具有7 路捕获和7 路比较通道。 ● 多达32 个可承受5V 的通用I/O 口。 ● 高达13 个边沿或电平有效的外部中断管脚。
● 片内集成的振荡器，工作在1MHz～25MHz 的外部晶体下。
可以看出LPC2101 具有实现电机控制所需要的各种片内功能，这在一定程度上节省了设计开发硬件时间。基于LPC2101 的开关磁阻电机驱动控制系统硬件结构图如下3.2所示
图3.2 基于LPC2101 的SRD 系统硬件结构图
温度 保护 P0.11/EIN1 P0.11/AIN4 电流检测 CAP1 CAP2 位置传感器 速度 给定 P0.23/AIN1 PWM1 PWM2 PWM3 PWM4 光电 隔离 驱动 电路 功率 电路 SR ARM 负责判断转子的位置信息，并综合各种保护信号、给定信息以及转速情况，给出相通断信号及低速下的电流斩波限定值。PWM 信号、相通断信号、斩波信号及电流保护信号相结合产生IGBT 的触发信号。此系统的正常工作过程如下:首先在键盘上给出启动信号，在检测系统状态一切正常的情况下，根据位置传感器提供的电机转子位置信号，由ARM 给出相通断信号，消除误差的PWM 信号由综合保护和电流斩波信号给出IGBT 的驱动信号。该信号控制功率电路向电动机绕组供电，使电动机转子转动。
由硬件框图中可以清楚地看到控制程序部分所需要的各个模块和它们所实现的功能以及各个模块之间的相互关系。也可以看出ARM 外围接口有位置信号处理、速度计算、A/D 采样与转换、算法和计算、PWM 电压输出等，其端口功能分配如下表3.3所示。
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 表3.3 主要功能分配表 PWM 输出 定时器 捕获口 A/D 转换器 输出四路PWM 信号分别控制四相主开关 为程序运行和测速提供时间基准 输入两路位置信号 将模拟给定信号和电流传感器输出的信号转化成数字信号 下面分块分别介绍SRD 驱动控制系统的硬件结构部分。
3.2 功率变换器的整体设计
功率变换器在整个SRD 系统中占有重要的地位，它的设计与SR 电动机的结构相匹配，而且要具备控制简单、成本低、效率高等特点。因此合理的选择功率变换器是提高SRD 性能/价格比的关键之一。
功率变换器主要有三个作用:开关作用，使绕组与电源接通或断开;为绕组的储能提供回馈途径;为SRM 提供电能，满足机械能的转换。由于SRM 功率变换器只需要给SRM 提供单向电流，故比异步电动机PWM 变换器简单、可靠。然而SRM 工作电流、电压波形并非正弦波，而且波形系统运行条件及电动机设计参数的制约，很难确定预料，这就使得主开关器件的定额计算和确定较为复杂。
从功率变换器应与电动机的结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低等要求出发，一个理想的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条件：
最少数量的主开关元件；
可将全部电源电压加给电动机相绕组； 主开关器件的电压额定值与电动机接近； 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； 在绕组磁链减少地同时，能将能量回馈给电源。
3.2.1 常用功率变换器主电路结构形式
SRD 系统的功率变换器电路结构有许多种，不同结构电路的主开关器件数量与定额、能量回馈方式及适用场合均不同，常用的几种功率变换器主电路有以下几种：
1、双开关型
如图3.4所示，双开关型功率变换器每相有两只主开关和两只续流二极管。当两只主开关V1和V2同时导通时，电源US向电机相绕组A供电；当V1和V2同时关断时，
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 相电流沿图中箭头方向经续流二极管VD1和VD2续流，将电机磁场储能以电能形式迅速回馈电源，实现强迫换相。这种结构的优点是开关器件电压容量要求较低，特别适合高压和大电容场合，各相绕组电流可以独立控制，且控制简单。缺点是开关器件数量较多。
2、双绕组型
图3.5所示是早期使用的双绕组结构，每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕，同名端反接，其匝数比为1:1。主开关S1导通时，电源对主绕组A供电；当其关断时，靠磁耦合将主绕组A的电流转移到副绕组，通过二极管D1续流，向电源回馈电能，实现强迫换相。由于主、副绕组之间不可能完全耦合，在S1关断的瞬间，因漏磁及漏感作用，其上会形成较高的尖峰电压，故S1需要有良好的吸收回路。另外，由于采用主、副两个绕组，因而电机槽及铜线利用率低。铜耗增加、体积增大。这种主电路可适用于任意相数的开关磁阻电机，尤其适宜于低压直流电源（如蓄电池）供电的场合。 3、电容分压型
图3.6是电容分压型电路，由两个相串联的电容C1和C2将电源电压一分为二，构成中点电位。每相只有一个主开关S1和一只续流二极管D1。当S1导通时，上侧电容C1对A相绕组放电，电源对A相供电，经下侧电容C2构成回路；当S1 关断时，A相电流经D2续流，向下侧电容C2充电。主开关S2导通时，下侧电容C2通过放电向B相供电；当S2关断时，B相电流经D2续流，向电容C1充电。通常C1=C2，故相绕组的额定工作电压仅为电源电压的一半。该电路须限制中点电位的漂移。采用电容裂相以后，电源电压利用率降低，主开关元件的电流为图3.2中的两倍（同功率情况下）。电容分压型功率电路每相只用一个主开关，结构简单，但电机的相数必须是偶数，上下两路负载必须均衡。在实际工作时，由于分压电容不可能很大，中点电位是波动的，在低速时波动尤为明显，甚至可能导致电机不能正常工作，需要高压大电容，电源电压利用率低，适用于电压较高的场合。
图3.4双开关型 图3.5双绕组型
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