許戰(zhàn)輝-開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的硬件設計(完整版)實用資料

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河南科技學院許戰(zhàn)輝-開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的硬件設計（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）論文題目：開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的硬件設計學生姓名：許戰(zhàn)輝所在院系：機電學院所學專業(yè)：應用電子技術教育導師姓名：趙明富王超完成時間：2021年5月20日i摘要開關磁阻電機調速系統(tǒng)具有結構簡單、堅固、系統(tǒng)控制靈活、調速性能好、運行效率高、動態(tài)性能好等諸多優(yōu)點，近二十多年來，國內外在開關磁阻電機及其調速系統(tǒng)研究方面發(fā)展迅速。但對于一些特殊的需求領域，還未曾進行深入研究。本文正是基于這一需求，以三相開關磁阻電機為研究對象，對其軟特性調速系統(tǒng)進行研究。本課題主要完成的工作有以下兩部分：首先，深入研究了開關磁阻電機的基本特性與數學模型，從中得出了一種簡便、實用的通過電流檢測轉矩的方法。其次，設計了基于DSP56F803的開關磁阻電機調速系統(tǒng)通用的硬件電路，可以實現(xiàn)軟特性調速控制、變角度控制、定角度電壓斬波和電流上下限斬波控制。目前在許多生產機械中，比如，電動汽車、游梁抽油機、電動鉆機等需要具有軟特性的電機驅動，即直流電動機的串勵特性。開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的研究，將拓寬開關磁阻電機的研究和應用領域，并且對推動我國電氣傳動領域的發(fā)展也具有十分重要的現(xiàn)實意義。關鍵詞：開關磁阻電機，調速系統(tǒng)，軟特性iiSoftcharacteristicsofSwitchedReluctanceMotorSpeedRegulatingSystemhardwaredesignAbstractTheSwitchedreluctancedrivesystemhasasimplestructure,strong,flexiblesystemcontrol,speedperformance,highefficiency,gooddynamicperformanceadvantagesoverthepasttwodecades,bothathomeandabroadandintheSwitchedReluctanceMotorSpeedControlsystemsresearchhasdevelopedrapidly.Butforsomespecialareaofdemand,butalsodidnotconductanin-depthresearch.Thisarticleisbasedontherequirementstothree-phaseswitchedreluctancemotorforthestudyofitssoftcharacteristicsofspeedcontrolsystemforresearch.Themainsubjectoftheworkhavethefollowingtwoparts:Firstofall,in-depthstudyoftheswitchedreluctancemotor'sbasicfeaturesandmathematicalmodelstodrawasimple,usefultorquethroughthecurrentdetectionmethod.Secondly,thedesignDSP56F803basedontheswitchedreluctancedrivecircuitcommonhardware,softwarefeaturescanbespeedcontrol,voltageangleandcurrentchopperchoppercontrolupperandlowerlimits.Atpresentinmanyproductionmachines,suchaselectricvehicles,beampumpingunit,theelectricdrillwithsoftfeatures,suchasthemotordrive,DCmotorthatischaracteristicoftheSeries.SoftcharacteristicsofSwitchedReluctanceMotorSpeedControlSystem,willexpandtheSwitchedReluctanceMotor'sresearchandapplications,andthepromotionofChina'selectricdrivedevelopmentoftheareaisofgreatpracticalsignificance.Keywords:SRM，SpeedControlSystem，SoftControl目錄1緒論..............................................................................................................11.1課題來源及研究意義.......................................................................11.2課題綜述...........................................................................................11.2.1SRD的組成及工作原理................................................................11.2.2SRD主要技術特點..................................................................31.2.3SRM及其控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及國內外研究狀.................41.3本課題研究的主要內容...................................................................62開關磁阻電機軟特性的實現(xiàn)原理..............................................................62.1開關磁阻電機的數學模型分析與控制策略...................................62.1.1開關磁阻電機的數學模型分析...............................................62.1.2開關磁阻電機的控制策略.......................................................82.2開關磁阻電機軟特性分析.............................................................102.3開關磁阻電機軟特性實現(xiàn)原理.....................................................112.3.1轉矩的計算............................................................................112.3.2開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)控制策略.............................113開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的硬件設計............................................123.1硬件系統(tǒng)概述..................................................................................123.2DSP56F803的特點.........................................................................133.3基于DSP56F803的控制器硬件設計............................................143.4功率變換器的設計..........................................................................173.4.1整流電路................................................................................173.4.2功率變換電路........................................................................184結論............................................................................................................21致謝................................................................................................................21參考文獻........................................................................................................2211緒論1.1課題來源及研究意義本課題是自選研究課題，是基于導師對開關磁阻電機的預研究和技術儲備的研究工作。由于開關磁阻電機（SwitchedReluctanceMotor，簡稱SR電機）結構簡單、堅固，可靠性高，效率高，在一些要求高精度的電力拖動設備的控制系統(tǒng)中具有很多的優(yōu)勢。開關磁阻電機及其調速控制系統(tǒng)（SwitchedReluctanceDrive，簡稱SRD）是位臵、速度和電流三閉環(huán)控制系統(tǒng)，是典型的機電一體化產品，有著廣泛的應用前景。近幾年來開關磁阻電機在許多電力傳動領域得到了廣泛的應用，比如在城市電動汽車、礦山井下電動機車、油田抽油機、家電領域上都可以與直流調速電機和變頻調速電機一較長短。隨著電力電子技術和控制技術的發(fā)展，開關磁阻電機及其調速控制系統(tǒng)將有更廣泛的發(fā)展和應用前景。1.2課題綜述1.2.1SRD的組成及工作原理SRD主要由SR電機、功率變換器、控制器和位臵檢測器四部分組成，如圖1所示[1]。圖1SRD基本構成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)有別于其他電機驅動系統(tǒng)的主要標志，它的結構和工作原理與傳統(tǒng)的交直流電動機有著根本的區(qū)別。它遵循“磁阻最小原理”—磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合[2]，產生磁拉力形成轉矩。因此，它的結構原則是轉子旋轉時磁路的磁阻要有盡可能大的變化。所以SR電機采用凸極定子和凸極轉子的雙凸極結構，并且定轉子極數不同。圖2表示三相SR（12/8極）電機的橫截面和一相電路的原理示意圖。S1、S2是電子開關，D1、D2是二極管，E是直流電源。當定子A相磁極軸線OA與轉子磁2極軸線Oa不重合時，開關S1、S2合上，A相繞組通電，電動機內建立起以OA為軸線的徑向磁場，磁通通過定子軛、定子極、氣隙、轉子極、轉子軛等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁導小于定、轉子磁極軸線重合時的磁導，因此，轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用，使轉子逆時針方向轉動，轉子磁極的軸線Oa向定子A相磁極軸線OA趨近。當OA和Oa軸線重合時，轉子已達到平衡位臵，即當A相定、轉子極對極時，切向磁拉力消失，轉子不再轉動。此時打開A相開關S1、S2，合上B相開關，即在A相斷電的同時B相通電，建立以B相定子磁極為軸線的磁場，電動機內磁場沿順時針方向轉過30°，轉子在磁場磁拉力的作用下繼續(xù)沿著逆時針方向轉過15°。依此類推，定子繞組A-B-C三相輪流通電一次，轉子逆時針轉動了一個轉子極距rτ（Nrr/2πτ=），對于三相12/8極開關磁阻電機，rτ=83600=45°，定子磁極產生的磁場軸線則順時針移動了3×30°=90°空間角?？梢?，連續(xù)不斷地按A-B-C-A的順序分別給定子各相繞組通電，電動機內磁場軸線沿A-B-C-A的方向不斷移動，轉子沿A-C-B-A的方向逆時針旋轉。如果按A-C-B-A的順序給定子各相繞組輪流通電，則磁場沿著A-C-B-A的方向轉動，轉子則沿著與之相反的A-B-C-A方向順時針旋轉[4]。圖2SR電機工作原理(2功率變換器功率變換器是SR電機運行時所需能量的提供者，是連接電源和電動機繞組的開關部件。通過它將電源能量送入電機，也可將電機內的磁場儲能反饋回電源。SR電機繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅簡單，而且具有普通交流及無刷直流驅動系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點，即相繞組與主開關器件是串聯(lián)的，因而可預防短路故障。功率變換器有多種形式，并且與供電電壓、電機相數和開關器件的種類等有關。(3控制器和位臵檢測器控制器綜合處理位臵傳感器、電流檢測器提供的電機轉子位臵、速度和電流等反饋信息及外部輸入的指令，實現(xiàn)對SR電機運行狀態(tài)的控制，是SRD的指揮中樞，控制器一般由單片機或DSP及外圍接口電路等組成。在SRD中，要求控制器具有下述功能：31）電流斬波控制或電壓斬波控制。2）角度位臵控制。3）起動、制動、停車及四象限運行。4）速度調節(jié)。位臵傳感器向控制器提供轉子位臵及速度等信號，使控制器能正確地決定繞組的導通和關斷時刻。通常采用光電器件、霍爾元件或電磁線圈等方法進行位臵檢測。1.2.2SRD主要技術特點[5]從結構和運行原理上看，SR電機可以說是一種高速大步距的反應式步進電動機。兩者的主要差別在于：步進電機作為一種信息傳輸、實現(xiàn)角位移精密傳動的執(zhí)行機構，它的轉子軸運動服從電源的換相，而電源的換相通常是與轉子位臵無關的，屬于轉子位臵開環(huán)控制；SR電機則不同，其定子供電電源的換相與轉子位臵直接有關，必須根據轉子位臵傳感器提供的位臵反饋信息來實現(xiàn)，屬于轉子位臵的閉環(huán)控制。從運行狀態(tài)上看，也可將SR電機調速系統(tǒng)視為無刷直流電機調速系統(tǒng)的發(fā)展，兩系統(tǒng)中電機均運行在自同步狀態(tài)。但無刷直流電機的轉子有勵磁，定子多相繞組由逆變器提供交流電源；SR電機的轉子則為反應式，無須勵磁，定子繞組由直流脈沖電源供電，僅由簡單的開關即能實現(xiàn)，這使得電機結構和變換器結構都得到簡化。理論與實踐表明，SR電機調速系統(tǒng)具有如下基本特點。（1）電機結構簡單、適宜在惡劣條件下的可靠運行。SR電機的突出優(yōu)點是轉子上沒有任何形式的繞組，亦無需采用永磁體構成轉子磁極，因此最大速度不受限制，可達100000r/min，也無高溫退磁之憂。定子線圈為集中繞組，端部短而牢固。所以電機易于冷卻。適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。（2）轉矩方向與定子繞組電流方向無關，只需要單向的電流勵磁，因此可以減少功率變換器的開關器件數，降低系統(tǒng)成本。另外，SR電機調速系統(tǒng)中每個功率開關器件均直接與繞組串聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象。從而簡化了控制保護單元的要求，既降低了成本，又具有高的可靠性。從控制結構上看，各相繞組相互獨立工作，所以系統(tǒng)可以缺相運行，容錯能力強，適宜在如航天飛機、電動汽車等特殊場合作為起動機或驅動系統(tǒng)使用。（3）可控參數多，調速性能好?？刂芐R電機調速的主要參數有四個：開通角、關斷角、相電流幅值和相繞組電壓?？煽貐刀?，意味著控制靈活方便。采用不同控制方法和參數值，不僅能使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)（如出力最大、效率最高等），而且可以實現(xiàn)各種不同的功能和特定的運行曲線，如使電機具有完全相同的四象限運行能力，并具有高起動轉矩和串勵電動機的負載曲線。（4）在寬廣的轉速和功率范圍內均具有高輸出和高效率，適用于頻繁起停4及正反向轉換運行。當然，SR電機調速系統(tǒng)也有其明顯的缺點，即轉矩脈動及噪聲問題。這是由于SR電機固有的雙凸極工作機理引起的。然而，經驗表明，通過合理的設計電機結構以及采用先進的控制方法，再結合良好的加工工藝，轉矩脈動和噪聲完全可以控制到可以接受的水平之內。SRD良好的調速性能、寬廣的調速范圍、以較小的起動電流獲得較大的起動轉矩、對稱的四象限運行特性等一系列突出的優(yōu)點，顯然對于滿足需軟特性驅動的系統(tǒng)提供了完全的可行性。1.2.3SRM及其控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及國內外研究現(xiàn)狀(1SR電機及其控制系統(tǒng)的發(fā)展概況自1983年Oulton開關磁阻電機通用調速系列產品問世以來，引起各國電氣傳動界的廣泛重視，美國、加拿大、南斯拉夫等國競相發(fā)展，并在系統(tǒng)的一體化設計、電動機的電磁分析、微機的應用、功率元件的應用、新型結構型式的開發(fā)等方面取得進展。我國于1984年左右也以較高的起點開始SRD的研究、開發(fā)工作，1992年初成立了中國電工技術學會中小型電機專業(yè)委員會下設的開關磁阻電機學組，以推動開關磁阻電機研究工作的進一步發(fā)展?，F(xiàn)在，國內對開關磁阻電機接受和感興趣的程度逐年上升，形成理論研究與實際應用并重的發(fā)展態(tài)勢。近幾年來開關磁阻電機在許多電力傳動領域得到了廣泛的應用，比如在城市的電動汽車方面、礦山井下電動機車方面、在油田的抽油機上、在家電領域都取得了比直流調速電機和變頻調速電機都好的效果。隨著電力電子技術和控制技術的發(fā)展，開關磁阻電機及其調速控制系統(tǒng)將有更廣泛的發(fā)展和應用前景。但是，目前國內高校對開關磁阻電機及其調速系統(tǒng)主要是對其接近硬特性運行的研究，進行開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的研究未見報道。(2SRM控制技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1）各種數學模型被提出目前已經發(fā)展起來的磁鏈模型和直接建立起來的機電聯(lián)系模型有多種形式，可將他們分為線性模型、準線性模型和非線性模型三類。線性模型忽略電磁飽和、渦流、邊緣效應、互感等非線性因素，使得每一相電感只與轉子位臵有關，而與電流無關。這為分析SR電機運行特性帶來極大方便。通過這一模型，可以很容易求出SR電機轉速恒定且相電壓為矩形脈沖時相電流和輸出轉矩的解析式，進而可以分析出開通角、關斷角等參數對電機運行特性的影響規(guī)律，以及電流斬波和角度位臵兩種控制策略的工作原理。從而為控制器的設計、調試提供了很有價值的結論。準線性模型采用分段線性化的方法將非線性的電磁曲線簡化，與線性模型相比更接近SR電機的實際特性。52）各種控制理論的應用最初，被應用在SR電機控制系統(tǒng)中的控制理論以線性控制理論為主。以SR電機的小信號線性模型為基礎，利用經典的控制理論設計調速系統(tǒng)的控制器。由于SR電機高度的非線性特性，建立精確而實用的SR電機非線性模型絕非易事，采用智能理論設計SR電機控制器，是回避這一棘手問題的途徑之一。3）轉矩脈動抑制研究在對SR電機的振動和噪聲研究中，得出了幾個重要的結論。CameronDE等通過對SR電機各種可能的噪聲源采取分步運轉法逐一鑒別比較后得出結論：SR電機噪聲主要源于定、轉子間徑向磁吸力所導致的橢圓形變，而且當相電流某一幅值充分大的諧波頻率與定子共振頻率接近或一致時，將激發(fā)強烈的振動和噪聲。因此，控制相電流波形，使之不含激發(fā)定子共振的諧波分量是降低振動、噪聲的有效方法之一。WuCY等基于時域分析，得出結論：相繞組外施相電壓的階躍變化，導致相電流、徑向力變化率躍變是引起SR電機振動大的主要原因。因相電流關斷時，相電壓產生大幅度負躍變，加之關斷起始相電流又較大，故繞組關斷激發(fā)的沖擊振動是最主要的?，F(xiàn)有研究都是基于將SRD機電系統(tǒng)簡化為線性系統(tǒng)以實驗研究方法為主進行的。一方面缺少理論分析，另一方面對SR電機定子振動的非線性特性沒有重視更缺乏研究，所得結論尚不能精確和全面地反映實際SR電機定子振動系統(tǒng)的動力特性，所提出的振動、噪聲控制策略尚有局限性。只有立足于非線性振動理論，在全面分析SR電機非線性電磁場和非線性徑向力的基礎上，才能對SR電機定子電磁振動的非線性特性進行系統(tǒng)的理論分析、計算和實驗研究，從理論上揭示SR電機非線性振動的基本規(guī)律，研究在保證SRD性能指標不變前提下，對各種運行工況下的SR電機振動、噪聲都能進行有效控制的策略，為SRD在更大范圍內推廣應用發(fā)揮其特長掃除主要障礙。4）無位臵傳感器技術在無位臵傳感器研究方面，我國的研究水平走在世界前列，有很多學者提出了新型的無位臵傳感器方案。王炎教授提出一種利用鎖相原理來簡化新型位臵傳感器，使得對任意相繞組的SRD系統(tǒng)，位臵傳感器只需要一個傳感元件。這種方法雖然減小了位臵傳感器的數目，但是增加位臵傳感器處理電路和軟件的復雜性。詹瓊華教授提出了電容式位臵檢測技術，該方法與傳統(tǒng)檢測方法中基于電感測量的方法不同，它是一種通過電容與轉子轉角的關系確定實際運行時定、轉子相對位臵的轉子位臵檢測方法，它不需考慮相繞組中電流及運動電勢的影響，與電機負載無關，而且它對電機的運行狀態(tài)也沒有影響。這種電容式檢測器靈敏度高，可獲得較大的相對變化量、結構簡單、適應性強。6總的來說，目前無位臵傳感器檢測方案有如下幾種：①電流波形檢測法；②電感簡化計算法；③狀態(tài)觀測器檢測法；④相磁鏈、相電流與轉子位臵傳感器的關系解算法；⑤相間互感與轉子位臵關系檢測；⑥電容式位臵檢測法；⑦加測試線圈檢測法。1.3本課題研究的主要內容本課題設計的開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)，其主要功能有：正反轉、大范圍內平滑調速；軟特性參數的在線調整；軟、硬特性運行方式的選擇，并具有各種保護功能。具體研究內容如下：（1）學習DSP56F803的使用，設計以該芯片為核心的SR電機軟特性調速系統(tǒng)控制器的硬件電路，實現(xiàn)軟特性曲線給定及調速、電機正反轉，轉速、電流的顯示功能。設計以IPM為主開關器件的功率變換器及相應的驅動電路和保護電路。（2）研究開關磁阻電機的轉矩與電流之間的關系，獲取了轉矩與電流的計算關系，實現(xiàn)一種較為簡便、快速、實用的計算轉矩的方法。2開關磁阻電機軟特性的實現(xiàn)原理2.1開關磁阻電機的數學模型分析與控制策略2.1.1開關磁阻電機的數學模型分析SR電動機的轉矩是由磁路選擇最小磁阻結構的趨勢產生的，適當的磁路飽和有利于提高SRD的總體性能，因此電動機磁路的飽和是SR電動機的又一個重要特征。由于電動機磁路的非線性，通常SR電動機的轉矩應根據磁共能來計算，即θθθ?'?=,(,(iWiT（式1）式中θ—轉子位臵角i—繞組電流顯然，磁共能,(iWθ'的改變既取決于轉子位臵，亦取決于繞組電流的瞬時值。在SR電動機中，當定轉子凸極中心線對準時，氣隙很小，磁路往往是飽和的，而且從提高電機效率，減少功率變換器伏安容量要求考慮，則磁路必須是飽和的。因此電感實際上是轉子位臵和相電流的函數，并非分段線性。磁路飽和對電動機轉矩、功率的分析、計算有著明顯的影響，應予以充分考慮。但若不加簡化的考慮磁路的非線性，則使得電磁關系計算非常困難，且不能解析計7算。實用中，為避免繁瑣的計算，又近似的考慮磁路的飽和效應，常借助準線性模型，即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，做這樣的近似處理后，每段磁化曲線均可解析。1ψi圖3分段線性磁化特性圖3給出的是一種用兩段線性特性來近似一系列非線性磁化曲線。其中一段為磁化特性的非飽和段，其斜率為電感,(iLθ的不飽和值；另一段為飽和段，可視為與θ=0位臵的非飽和特性平行，斜率為minL。圖中的i1是根據θ=θn位臵及定轉子凸極對準時的磁化曲線(if=ψ決定的，一般定在磁化曲線開始彎曲處。2.1.2開關磁阻電機的控制策略（1）SR電機的起動1）理想電感與轉子位臵的關系ABCALCLBL圖4理想電感與轉子相對位置關系曲線若不計電動機磁路飽和的影響，假定相繞組的電感與電流的大小無關，且不考慮磁場邊緣擴散效應，這時相繞組的電感與轉子相對位臵關系可用圖4表示。8LA、LB、LC分別為三相的理想電感，A、B、C為位臵信號。從圖4中可以看出位臵信號與相電感的關系，正轉時，相通電順序為A、B、C，此時各相位臵信號的上升沿對應各相電感最小位臵，下降沿對應最大位臵。位臵信號之間間隔15度，下面從該圖中分析位臵信號狀態(tài)及其變化與電機起動、換相之間的關系。由SR電機的基本理論知道，SR電機始終工作在自同步狀態(tài)，起動和運行過程中對位臵信號有嚴格的要求。位臵傳感器安裝在轉盤上，實際上由于機械安裝的問題，位臵傳感器可能出現(xiàn)偏移，使得測量的信號和實際的信號不一致，所以在起動時，很難確定電機的準確初始位臵，這就給確定電機的起始帶來了困難。SR電機有兩種起動方式：單相起動和單雙相混合起動方式。2）單相起動方式為使電機能夠起動并且按照要求的方向轉動，需要獲得準確的絕對位臵信息，但從位臵傳感器獲得的位臵信號只能是相對位臵?，F(xiàn)采取以下步驟獲取絕對位臵信息。a．同時給兩相通電，比如B、C相；b．遲50ms，關斷C相，B相繼續(xù)通電；c．延遲500ms，待電機穩(wěn)定地停在B相定子極和轉子極對齊的位臵；表1轉子位臵與起動相對應關系步驟a給電機提供了起動脈沖信號，如果B相確實不在電感最小位臵或者在電感下降位臵，那么C相提供電動轉矩，驅動電機轉動；當關斷C相后，B相繼續(xù)通電，當延遲了足夠長時間后，電機就可以穩(wěn)定地停在B相極對極位臵即電感最大位臵。起動過程大約花1s的時間，這樣我們在確定了電機的絕對位臵后就可以按照給定方向通電。比如正轉，在起動程序結束后，關斷B相，給C9相通電即可，以后就按照A-B-C順序通電，電機就會正轉。該方法的缺點是：在起動的時候，為了尋找絕對位臵，即B相極對極位臵，需要先給C、B兩相通電，這樣如果電機不是停在該位臵，起動時會有抖動。3）單雙相混合起動方式由以上分析知道，單相起動時有抖動，這對嚴格不允許反轉的場合是不適合的。仔細分析圖4可以知道，在有些位臵可以兩相通電起動，有些位臵只有一相可以通電起動，以正轉為例，位臵信號與起動相對應的關系見表1。表中有三個位臵為雙相起動：011、101、110，在理想電感曲線圖4上可以看出，在這三個位臵都是電感重疊區(qū)，而且總有一相只能有7.50的導通角，超過7.50以后，電感進入下降區(qū)，產生制動轉矩，這需要及時關斷該相，該相的位臵信號的下降沿正好對應電感最大位臵，所以可以利用下降沿來關斷該相。所以在雙相起動時，在起動過程中只需設臵下降沿中斷，如果順利起動，則運行程序中處理該中斷，完成雙相起動到單相運行的順利過渡。位臵傳感器總共有六個狀態(tài)，除了上述提出的三種狀態(tài)外，另三種狀態(tài)時，只給一相通電，起動電機。（2）SR電機的換相如果采用單相起動方式，則起動后可以直接進入單三拍運行方式，按照給定的方向給電機進行換相。如果采用單雙相混合起動方式，則需要根據轉子不同位臵設臵不同的捕捉方式，運行程序需要根據實際情況來完成雙相到單相的過渡，在過渡成功后，才可以按照給定方向給電機換相。（3）SR電機的控制策略SRD系統(tǒng)性能較為理想，其特點之一就是其可控參數多，開通角1θ、關斷角2θ、相電壓U、相電流I都可影響轉矩，從而對轉速進行控制，因而其調速控制策略也較多。就目前而言，其控制策略大體可分為以下幾類：1）角度控制角度控制一般應用于較高速區(qū)。對每一個由轉速及轉矩定義的運行點，開通角、關斷角有多種組合，每一種組合對應不同的穩(wěn)態(tài)性能。角度控制方式的優(yōu)點在于有較大的靈活性，可同時對多種參數進行優(yōu)化，效率較高，但不足之處在于其在低速區(qū)不能工作，必須配合其它方式，如變角度電流斬波控制等，因此控制起來較為復雜。2）電流斬波控制電流斬波控制的一般方法是保持開關角度不變，通過主開關器件的多次導通和關斷，進而將電流限制在某一值附近，借以控制轉矩。它又可分為兩種方式：①電流上限控制在onθθ=時，功率電路開關元件接通（稱相導通，繞組電流I從零開始上10升，當繞組電流一旦超過電流的設定值（斬波電流上限值時，開關管關斷，電流快速下降。經時間t?時再重新開通。如此循環(huán)，從而達到控制電流的目的。這種控制方式不足之處在于：雖然在一個控制周期內關斷時間恒定，但電流下降多少，則取決于繞組的電感、電感變化率、轉速等因素，因此電流的下限并不一致。如關斷時間過長則相電流脈動大；如關斷時間過短，則斬波頻率過高。因此采用該方式的主要問題在于參數不易優(yōu)化，電流脈動大，振動噪聲大。②電流上下限控制這種方式指的是在一個控制周期內，給定電流的最大值和最小值保持不變。當電流傳感器檢測的繞組電流信號大于設定信號的最大值時，關斷開關管；當續(xù)流電流衰減到設定的最小值時，主開關重新開通，如此反復。這種方式的不足之處在于：由于電感在一個周期內是變化的，故電流斬波頻率疏密不均，在電感變化率較大的區(qū)間，電流上升快，斬波頻率較高，必須選擇合適的上下限。i?過大則易于使電流脈動大，以至于電機噪聲太大；i?過小，則使斬波頻率過高，使主開關無法長期地承受高頻下的開關損耗而被損壞。3）電壓斬波PWM控制電壓斬波PWM控制采用的方法是：在原來主開關相控觸發(fā)信號上加PWM調制，通過調節(jié)PWM的占空比D，從而調節(jié)施加在相繞組上的兩端電壓，以達到調速的目的。與電流斬波控制方式類似，提高脈沖頻率f=1/T，則電流波形比較平滑，電機出力增大，噪聲減小，但功率開關元件的工作頻率增大。2.2開關磁阻電機軟特性分析簡單的開關磁阻電機的軟機械特性曲線如圖5，圖6所示。圖5圖6圖5對應著給定不同空載轉速n0，硬度相同時的機械特性曲線，圖6對應著當空載轉速相同，機械特性硬度（斜率k）不同時的特性曲線。由圖6可得到轉速與轉矩的關系式：kTnn-=0開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)能夠滿足一些特殊負載的要求，即當負載增加或減小時，轉速能夠根據要求相應的變化，使得開關磁阻電機的機械特性呈現(xiàn)軟11特性。此系統(tǒng)的實現(xiàn)關鍵要解決兩個主要問題：一、負載的檢測。這主要是通過檢測負載轉矩來判斷。負載轉矩的檢測比較簡便的方法即為采用扭矩傳感器，但采用扭矩傳感器成本太高，因此本文設計的系統(tǒng)采用間接方法來檢測轉矩。二、開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的實現(xiàn)。即為調速系統(tǒng)的軟硬件設計，使系統(tǒng)能夠實現(xiàn)軟特性控制，響應速度快，動態(tài)性能好，抗干擾能力強。2.3開關磁阻電機軟特性實現(xiàn)原理2.3.1轉矩的計算由2.1分析可知開關磁阻電機轉矩與電流的關系式為：?????????????<≤?????≥-≤≤-<≤<≤?????≥≤≤<≤=541112433211122102100210,(θθθθθθθθθθθθθiiiKiiiKiiiiKiiiKiiTa（式2）即SR電動機相電流很小，磁路不飽和時，電磁轉矩aT與電流的平方成正比。而若繞組電流較大，則SR電動機運行在飽和狀態(tài)，這時電磁轉矩,(θiTa與電流的一次方成正比關系。由于K的計算比較復雜，很難直接求解，因此實際中可通過預先試驗獲得轉矩與電流的關系，進而在系統(tǒng)中可以根據檢測到的電機電流及獲得的轉矩與電流關系式實時計算轉矩值。2.3.2開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)控制策略本系統(tǒng)采用的控制策略如下：（1）起動方式由于單相起動不如單雙相起動可靠，并且在起動過程中為了確定轉子絕對位臵，若給不恰當的兩相通電，可能使電機產生抖動，所以本系統(tǒng)采用單雙相混合起動、單三拍（A-B-C）運行方式。在圖7中可以看到給定轉速后面加了一個給定積分器，給定積分器是將給定階躍信號變成隨時間按照一定斜率線性變化的輸出信號,使電動機能夠平穩(wěn)緩慢地起動，避免產生沖擊。（2）控制方式電壓斬波控制從低速到高速運轉不存在控制方式轉換問題，既能用于高速運行，又適合于低速運行。所以本文選擇定角度電壓斬波方式，開通角0°，關斷角15°。從減小電流峰值及脈動，提高系統(tǒng)效率出發(fā)，采用斬單管的電壓斬波方式。為防止電流峰值過大損害IPM模塊，在電機起動前，電流斬12波幅值固定為限流值，使電流斬波電路作為IPM的保護電路。（3）調節(jié)器設計由于SRD精確的動態(tài)模型難以建立，而PID調節(jié)器的優(yōu)點在于即使在受控對象的模型未知的情況下，其比例，積分，微分常數亦可通過系統(tǒng)的實際運行現(xiàn)場整定出來，因此在此系統(tǒng)中選擇為PI調節(jié)器，通過實驗確定法確定其參數。軟特性調速系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如下圖7：系統(tǒng)轉速分為外部給定和內部軟特性給定，在起動前由外部給定（通過鍵盤）設臵參數，包括軟、硬特性的選擇，軟特性參數。若設定為軟特性運行，起動后轉速給定切換到軟特性給定上。軟特性的給定轉速根據采集的實時電流值間接計算得到。給定轉速經過給定積分環(huán)節(jié)后與由轉子位臵傳感器獲得的反饋速度相比較，誤差經數字PI調節(jié)，轉換成PWM脈沖的控制參數?？刂破鞲鶕慌Z信號以及電流比較的輸出信號（允許PWM輸出或禁止PWM輸出）輸出對應的PWM脈沖，經功率變換器，實現(xiàn)對SR電動機的控制。圖7軟特性調速系統(tǒng)實現(xiàn)框圖3開關磁阻電機軟特性調速系統(tǒng)的硬件設計3.1硬件系統(tǒng)概述系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖8所示。系統(tǒng)的正常工作過程如下：首先是系統(tǒng)的開機準備工作，根據具體要求，通過鍵盤設臵適當的運行參數。正反轉按鍵決定電機旋轉方向，奇數次按下正轉，偶數次按下反轉，指示燈會顯示給定是正轉還是反轉，系統(tǒng)上電默認正轉。軟特性參數輸入，包括空載轉速和斜率，系統(tǒng)默認為空載轉速n0=1000r/min，斜率k=50。參數輸入鍵按三下即可取消軟特性調速，保持為給定轉速運行。參數輸入完畢后，按下起動按鍵，在系統(tǒng)無故障的情況下，DSP綜合位臵信號、轉速給定信號，經過程序處理后，輸出正確的PWM信號。邏輯綜合電路把PWM信號、電流斬波信號、角度信號相與后送到IPM接口電路，功率變換器在正確的PWM13信號驅動下給SR電機繞組供電，開始軟特性調速系統(tǒng)的正常運行。若運行中出現(xiàn)故障，控制器會使PWM端口電平無效，立即停機，并通過顯示電路顯示故障類型。圖8控制電路硬件框圖3.2DSP56F803的特點MotorolaDSP56F80x系列DSP是適用于數字電機控制的處理器，它把DSP的運算功能和MCU的控制特點集中到一塊芯片上。DSP56F80x系列提供了基于C語言的開發(fā)工具、IDE的集成環(huán)境以及SDK等先進的開發(fā)工具，大大縮短了開發(fā)周期。DSP56F80x系列提供了一些專門的外設，如PWM模塊、12位的A/D轉換器、定時器、相位檢測器、通訊模塊(SCI、SPI、CAN、通用I/O引腳、低電壓禁止模塊、JTAG/OnCE片上仿真器和FLASH、RAM存儲器。采用3.3V供電，但允許輸入端口使用5VTTL電平。采用8MHz外部晶振，利用內部壓控振蕩器和鎖相環(huán)產生80MHz總線時鐘，在80MHz時鐘頻率下可達到40兆條指令/s(MIPS的指令執(zhí)行速度；JTAG/OnCE程序調試接口，允許在系統(tǒng)設計過程中隨時進行調試，并可對軟件進行實時調試。DSP56F803作為DSP56F80x系列的一員，提供了上述的各種模塊。從控制SR電機的角度來講，它的PWM、A/D、相位檢測器這三個模塊給SR電機的控制帶來很大的便利，下面簡單介紹一下在設計SRD系統(tǒng)時是怎樣應用這三個模塊的。PWM模塊設臵為獨立通道模式，產生的6個PWM信號作為功率變換器各個開關管的控制信號，這6個信號可以完全獨立的控制。可以通過改寫輸出控制寄存器，由軟件控制PWM管腳的電平。所以在SR電機控制中，根據轉子位臵來改寫輸出控制器的內容可以完成電機的換相，并且不影響其他的PWM管腳上信號的占空比。這種改變可以與PWM信號同步進行，所以完全能夠滿足換相的14實時性。A/D模塊采用觸發(fā)同時掃描模式，最快可以在5.3μs內完成8通道的A/D轉換，并且可以和PWM信號同步。相位檢測器與定時器模塊A復用，并且內部集成了干擾信號濾波器，所以由傳感器出來的信號可以直接接到相位檢測器模塊的管腳，作為位臵信號和速度信號。綜上所述，在本系統(tǒng)中DSP資源利用如下：（1）起動、正反轉、參數輸入鍵，角度信號：通用輸入輸出口（GPIO）（2）電壓斬波輸出和換相控制：PWM模塊（3）相電流檢測和模擬轉速給定：A/D模塊（4）位臵傳感器信號：相位檢測模塊（Decoder）（5）顯示電路、D/A輸出：SPI模塊（6）與上位機通信：SCI模塊3.3基于DSP56F803的控制器硬件設計圖9轉子位臵檢測電路（1）位臵檢測電路位臵檢測電路包括兩部分即位臵傳感器電路與信號檢測電路，位臵傳感器電路采用三個普通光電傳感器以檢測位臵信號，傳感器放在電機內部，互差15度。在電機上由航空插頭引出五根線分別為電源、地、A相、B相、C相信號。信號檢測電路利用DSP56F803的相位檢測器的脈沖捕捉功能及輸入狀態(tài)監(jiān)視功能，讀取位臵信號的狀態(tài)和捕捉位臵信號產生的脈沖，完成轉速計算及電機起動、換相。傳感器與DSP的硬件接口電路如圖9所示，圖中CON1是SR電機位臵傳15感器輸出接口，A、B、C分別對應A、B、C三相位臵信號。LM339對位臵信號起著緩沖和整形作用。CON2對應于DSP56F803的相位檢測器的接口引腳。（2）電流采集及斬波電路圖10電流采集與斬波原理圖圖10為一相的電流采集與斬波電路原理圖，其中的LEM為霍爾電流傳感器，檢測到的電流經過放大后分為兩路信號，一路輸入到DSP的A/D轉換模塊，用AN1代表，另外一路與DSP輸出的電流斬波值做比較。當采用限電流上下限的斬波控制方式時，其要求可用如下表達式表示電流上下限斬波過程（用S表示開關管開通關斷狀態(tài)，S=1，開通；S=0關斷，I表示實際的相電流）：?????=≤=≤≤=≥NoChangeSADISADIADSADImin/1max/min/0max/（式3）圖11中用Ia表示A相電流，D/Amax表示斬波上限值，D/Amin表示斬波下限值。D/AmaxD/Amin圖11電流上下限斬波波形R1、S1分別表示實際電流值與斬波上限和下限電流值相比較的結果。R1、16S1分別接到R-S觸發(fā)器的R、S端，CD4043的Q端輸出信號作為A相的電流斬波信號（S1）。當Ia>D/Amax時，R1=1，S1=0，Iaout=0；IaD/Amin時，S1=1，R1=0，Iaout=1；D/Amax>Ia>D/Amin時，S1=0,R1=0，Iaout不變；S1=1,R1=1的情況不存在。根據圖10電路分析可知，該斬波電路符合表達式3的要求。其電流斬波波形如圖11所示。（3）D/A轉換電路D/A轉換采用美信公司的550A型號D/A轉換器。圖12只畫出了電流上限值（D/Amax）D/A轉換電路，下限值（D/Amin）轉換電路與此相同，只是選通信號用GPIOE3。圖12D/A轉換電路圖13邏輯綜合電路（4）邏輯綜合電路邏輯綜合電路把電流斬波信號、PWM信號、角度控制信號相與，所得信號作為IPM驅動電路的輸入信號。由于DSP56F803的PWM模塊控制十分方便，通過適當的控制，可以完成相通斷功能，所以邏輯綜合電路里少了相通斷信號。（5）鍵盤給定電路該系統(tǒng)的鍵盤輸入功能是由DSP的GPIOA口中斷功能實現(xiàn)的。本系統(tǒng)結合DSP的外部中斷管腳IrqA，IrqB，一共包括6個按鍵，分別為：復位鍵、起動鍵，正反轉鍵、參數輸入鍵、斜率輸入鍵、空載轉速輸入鍵。圖14為單個鍵盤按鈕的電路原理，其中R為上拉電阻，電容C經過多次試驗，選為0.01μF時消除按鍵時的抖動干擾效果比較好。圖14鍵盤電路3.4功率變換器的設計軟件保護基本思路是：IPM發(fā)生故障時，故障信號輸入控制器。DSP接收到故障信號后禁止PWM模塊輸出，從而達到保護目的。兩者相比較，軟件保護不17需增加硬件，簡便易行，但可能影響保護的快速性。硬件保護則反應迅速，工作可靠，實際應用中軟件與硬件結合的保護方式能更好的提高系統(tǒng)的可靠性。3.4.1整流電路圖15SRD系統(tǒng)主電路原理圖本文控制對象為三相12/8極SR電機，選用不對稱半橋功率變換器，主開關器件為IPM模塊。圖15為本課題所設計的SRD系統(tǒng)的主電路原理圖。主電路包括兩部分：整流電路、功率變換電路。整流電路的作用是將交流電源轉換為直流電源，以供功率變換電路使用。系統(tǒng)中使用的整流電路為三相三線制電路，分為二極管整流部分和電容濾波部分。電阻R1、R2起到平衡C1和C2電壓及整個系統(tǒng)關閉時對C1、C2電容放電的作用。在系統(tǒng)加電的瞬間，為了防止濾波電容開始充電所引起的過大的浪涌電流，需要采取一定的措施，本系統(tǒng)采用了電阻-接觸器并聯(lián)網絡。當充電電壓小于400V時，接觸器J斷開，電阻R流過電流，把浪涌電流限制在一個安全的范圍。當充電電壓接近額定值時，接觸器閉合，把R短路減小電路損耗。三相不可控全波整流電路中，整流二極管承受的最大正向電壓為537V，對于二極管而言，因其能承受較大的沖擊電流，一般以有效值電流定額作為選型依據。（考慮到以后增大電機容量，本系統(tǒng)所有器件參數均按30KW的SR電機選取）以電機效率為85%計算，則電容上的電流有效值為：AI9.68514/85.010303=?=設流過二極管的電流相平衡，則流過二極管電流的有效值（ID）可以按如下公式計算：AID403/9.68==根據2~3倍裕量，可選擇整流二極管為110A/1600V。18計算濾波電容可采用如下公式：VtIC??=其中C為電容量（單位F），I為負載電流（單位A），t為電容維持電平的時間（單位S），△V為所允許的峰-峰值紋波電壓（單位V）。功率為30KW，輸入交流相電壓為220V，頻率50Hz，若按效率為85%計算，則輸入電流為：AI7.65537/85.010303=???????=假定允許40V峰-峰值紋波電壓，并且電容要維持電平的時間為整流輸出波形的半個周期，即1/600s=1.6ms。C=(65.7×1.6/40=2628μF，則取C=3300μF，電容的額定電壓取為450V。本系統(tǒng)選取電容參數為5600μF、450V，兩個電容串聯(lián)以滿足電壓要求。電阻R1、R2的計算：整流輸出的最大電壓為537V，則可選R1、R2電阻值為100KΩ，功率為5W。主開關管承受的電壓最大值等于直流電源電壓最大值（537V），考慮到2倍的電壓裕量，則選主開關器件的耐壓定額為1074V。在已知SR電機額定功率PN的情況下，根據經驗公式，則電流額定值近似為：AUPIsNSRMS7.46514/1000308.0/8.0=??==最大峰值電流為：AUPISNp123514/1000301.2/1.2=??==根據市場已有規(guī)格，本課題選用的200A/1200VIPM模塊作為系統(tǒng)主開關器件。3.4.2功率變換電路(1主電路連接圖如圖15所示，本系統(tǒng)的功率變換部分采用三相不對稱半橋線路。由于所選用的IPM模塊內包含兩個IGBT，所以每個IPM模塊均有一個IGBT沒有使用。由于采用一個IGBT也要外加續(xù)流二極管，成本較高，且體積較大，在本課題設計中選擇內部集成了兩個IGBT的IPM模塊，其中一個IGBT處于常關斷狀態(tài)，使它的二極管與另一個IGBT配合使用。這樣結構緊湊，成本也不高。具體一相的連接線路如圖16所示，每一相的上橋臂的IPM模塊的下管子和下橋臂的IPM模塊的上管子沒有使用。19A相圖16IPM模塊連接線路圖(2功率變換電路工作模式分析圖17斬雙管PWM控制續(xù)流路徑圖18斬單管PWM控制續(xù)流路徑對于不對稱半橋結構的功率變換器，調制繞組上的電壓有斬雙管和斬單管兩種方法，控制原理見圖19。圖19斬單管和斬雙管控制原理圖兩種調制方法的特點為：1）斬雙管在相導通期間，調制信號同時對上下兩個開關管作用。相電流經電源續(xù)流，其續(xù)流路徑如圖17所示。其特點為，在續(xù)流期間，繞組兩端的電壓近似為-Us，因而電流脈動大，振動噪聲都較大，有能量回饋。2）斬單管在相導通期間，保持一個開關管導通，調制信號作用于另一個開關管上。相電流不經電源續(xù)流。其續(xù)流路徑如圖18所示。其特點為，在續(xù)流期間，繞組兩端的電壓近似為0，因而電流脈動小，振動和噪聲都較令人滿意，但無能量回饋。(3主開關管的保護吸收電路可以抑制關斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復浪涌電壓，吸收電路原理如圖20所示。R圖20IGBT吸收保護電路二極管選用快恢復二極管，電容和電阻的參數按如下公式[8]求取：Cs=ImtfiVcc?29（式4）（式5）（式6）Rs=VCC/ics12PR=CsVccfm220Im為流過IGBT的電流有效值，Vcc為開關管承受的反向電壓，tfi為開關管關斷時間，ics為開關管承受的最大電流，PR代表電阻的功率，fm為最高工作頻率。按此公式，可求得Cs=0.06μF，Rs=3。本課題選擇的電容和電阻參數分別為：電容0.1μf，電阻10、20W。4結論作為一種新型的電機調速系統(tǒng)，開關磁阻電機兼有直流電機和交流電機的優(yōu)點，設計SRD軟特性調速系統(tǒng)是為了滿足特殊場合對開關磁阻電機的需求。其最終要達到的目的是轉速的變化能夠與負載變化相配合，使系統(tǒng)高效運行。一方面要實現(xiàn)轉速與負載的協(xié)調配和，一方面要實現(xiàn)轉速的快速、穩(wěn)定、平滑的調節(jié)，調節(jié)過程中要求超調小，無靜差。要提高系統(tǒng)的整體性能，各方面的因素，包括數學模型的處理，功率變換器主電路的設計，微機控制系統(tǒng)的硬件電路設計以及控制算法與控制軟件的設計都是非常重要的。經過一段時間的努力和指導老師的大力幫助，本文主要完成了：⑴設計了基于DSP56F803的開關磁阻電機調速系統(tǒng)通用的硬件電路以及功率變換器及其驅動保護電路，可以實現(xiàn)參數輸入，轉速調節(jié)，電機保護等功能。⑵通過研究開關磁阻電機的基本特性與數學模型，得到了一種簡便、實際可行的轉矩檢測方法。通過理論分析，獲取了開關磁阻電機的穩(wěn)態(tài)轉矩和電流的關系，在此基礎上實現(xiàn)了軟特性調節(jié)。致謝經過近幾個月的努力，我的畢業(yè)設計已接近尾聲。在這段時間里，我衷心感謝我的指導老師，在課題選定、理論指導和方案的論證上，王老師都對我進行了精心的指導和耐心的鼓勵，使我能夠堅持到底，畢業(yè)設計有了圓滿的結果。我剛開始做的時候對這個課題很陌生，但是指導老師對我的耐心講解，我對次有了很大的了解。他淵博的知識，深邃的思想，嚴謹的治學風格、平易近人的處事態(tài)度和幽默風趣的話語，讓我在學習知識和解決問題時感到無比的輕松和愉快。至此論文定稿之際，對王老師表示衷心的感謝!感謝老師能在繁忙之中抽出時間為我提供耐心的指導，幫我們解決在設計過程中遇到的種種問題。在做畢業(yè)設計期間，我還有幸得到其它老師的熱心指導和同學們的大力幫助，正因為有了他們，我才能克服各種困難，順利完成畢業(yè)設計和論文。充分的體現(xiàn)了師生情、同學情。在這里一并向他們表示感謝！最后，再次向各位領導、各位老師致以崇高的敬意和最衷心的感謝！21參考文獻[1]吳建華.開關磁阻電機設計與應用．北京：機械工業(yè)出版社，2001[2]王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術.北京:機械工業(yè)出版社，1998[3]N.N.Fultonetal．開關型磁阻電動機驅動的近期實踐經驗．開關磁阻電動機譯文集．西安微電機研究所，1998：1~5[4]郭文恒．基于TMS320F240的開關磁阻電機控制系統(tǒng)：[碩士論文]，北方交通大學，北京：2002[5]紀良文等.開關磁阻電機調速系統(tǒng)及其新型控制策略研究：[博士論文]浙江大學，浙江，2002[6]曹加勇等.開關磁阻電動機控制技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.電機與控制學報，2002，6（1）：1~6[7]LuisOscardeAraujoPortoHenriquesetal.PropositionofanOfflineLearningCurrentModulationforTorque-RippleRedutioninSwitchedReluctanceMotors:DesignandExperimentalEvaluation.IEEETrans.onIndustrialElectronics,2002;49(3:665~675[8]王宏華等.開關磁阻電動機比例因子自調整模糊控制器設計.電氣傳動，2001，（2）：17~19[9]韓安榮等.調壓方式下的開關磁阻電機變結構控制.控制與決策，1999，14增刊：609~612[10]王宏華等.開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀.電氣傳動，2001，：3~8（5）[11]SahooNCetal.Afuzzyslidingmodecurrentcontrollerforhigh-degreecontrolofswitchreluctancemotors[J].InternationalJournalofIntelligentControlandSystems,1999;3(2:205-222[12]王炎.開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的研究：[博士論文]哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱，2000[13]詹瓊華等.開關磁阻電動機電容式位置檢測技術.電工技術學報，1999,14（3）：1~5[14]邱亦慧等.無位置傳感器開關磁阻電機的無反轉起動研究.電工技術學報，2001,162）（：18~22[15]邵貝貝等．MotorolaDSP型16位單片機原理與實踐．北京：北京航空航天大學出版社，2003[16]DSP56F801/803/805/80716BitDigitalSignalProcessorUser’sManual．Rev.3.0MotorolaInc，2001[17]DSP56F801/803/805/80716BitDigitalSignalProcessorUser’sManual．Rev.3.0MotorolaInc，2001[18]李廣海等.IPM驅動和保護電路的研究．電子技術應用，2004,（12）：43~45[19]劉風君編著．逆變器用整流電源．北京：機械工業(yè)出版社，200422液位測量系統(tǒng)設計在工業(yè)自動化生產過程中，為了實現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質的生產，經常需要對液位進行精確測量，繼而進行自動調節(jié)、智能控制使生產結果更趨完善。通常進行液位測量的方法有二十多種，分為直接法和間接法。直接液位測量法是以直觀的方法檢測液位的變化情況，如玻璃管或玻璃板法。然而隨著工業(yè)自動化規(guī)模的不斷擴大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐漸被間接測量方法取代。目前國內外工業(yè)生產中普遍采用間接的液位測量方法，如浮子式、液壓式、電容法、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。其中電容式液位測量價格低廉、結構簡單，是間接測量方法中最常用的方法之一一，結構簡介在柱形電容器的極板之間，充以不同高度的介質時，電容量的大小也會有所不同。因此，可通過測量電容量的變化來檢測液位。上圖是一種由兩個同軸圓筒極板組成的電容器，在兩圓筒之間充以介電常數為的介質時，則兩圓筒間的電容量表達式為式中L為兩極板相互遮蓋部分的長度；d與D分別為圓筒形內電極的外徑和外電極的內徑；為兩電極間介質的介電常數。所以，當D和d一定時，電容量C的大小與極板的長度L和介質的介電常數的積成比例。這樣，將電容傳感器（探頭）插入被檢測物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起電容量的變化，從而可檢測出物位。二，傳感器的組成它主要是由細長的不銹鋼管(半徑為)、同軸絕緣導線(半徑為)以及其被測液體共同構成的金屬圓柱形電容器構成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化,從而引起對應電容量變化的關系進行液位測量。忽略邊緣效應（L>>D），則液位為0時，，（）當液位變化時，因此，用此傳感器就可以把液位的變化轉變?yōu)殡娙莸淖兓?。三，電路及測量原理電容、被加上一個可控高頻振蕩電源，振蕩角頻率保持恒定，高頻振蕩供電電壓變化以保證，而做為電路的輸出。因此：因為故將換居一固定電容，其電容值等于（即），將換成測量筒電容。這樣，當液位為0時，，輸出為0；當液位增加時，增加，電路輸出增加。當液位為H時，調整滿量程旋鈕，使電路輸出達滿量程電流。這樣，就把液位的變化轉變?yōu)殡娐份敵鲭娏鞯淖兓?。四，測量精度分析根據單元組合儀表原理可知，電路理論輸出應為：式中：為液位為H時電容變化最大值即。而實際輸出應為：則誤差將、、代入上式得：故精度等級為五，誤差分析誤差來源主要包括：（1）溫度對結構尺寸參數的影響（2）溫度對介電常數的影響（3）結構設計中邊緣效應的影響（4）結構設計中采用絕緣材料的影響（5）寄生電容的干擾的影響六，影響液位測量的主要因素及解決方法（1）電容極板結構對測量的影響增加初始值，可以使寄生電容和相對電容傳感器的電容量較小。電容極板板間距離大，寄生電容大、精度低；板間距離小，寄生電容小、精度高。所以應根據實際情況，選擇合適的電容極板尺寸。另外電容傳感器的材料和電信號引線的選用，也會對液位測量的精度產生影響。（2）溫度對測量的影響在不同溫度下，傳感器所用材料都將發(fā)生不同程度的尺寸變化，這些都將影響傳感器的精度。同時，各種介質的介電常數也是隨溫度的變化而變化的。所以應當選用適當的溫度補償電路，減小溫度帶來的影響。電容極板設計時需注意消除和減小邊緣效應和寄生電容的影響，同時要保證平板電容良好的絕緣性能和抗外界干擾性。煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化學院：機電汽車工程學院專業(yè)：機械設計制造及其自動化姓名：**小組成員：**********煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化目錄摘要?????????????????????????????????3第一章緒論??????????????????????????????4第二章系統(tǒng)硬件設計??????????????????????????52.1系統(tǒng)總體功能概述??????????????????????52.2核心芯片的選擇???????????????????????62.3硬件原理圖?????????????????????????11第三章系統(tǒng)軟件設計??????????????????????????163.1軟件功能概述???????????????????????163.2主程序設計????????????????????????163.3定時器T0中斷服務程序???????????????????163.4A/D轉換子程序???????????????????????183.5LED顯示子程序???????????????????????18結論??????????????????????????????????20參考文獻????????????????????????????????21附錄??????????????????????????????????22附錄一主程序代碼????????????????????????22附錄二電路圖??????????????????????????26-2-煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化摘要隨著社會的進步、生產工藝和生產技術的發(fā)展，人們對液位的檢測提出了更高的要求。而新型電子技術微電子技術和微型計算機的廣泛應用于普及，單片機控制系統(tǒng)以其控制精度高，性能穩(wěn)定可靠，設置操作方便，造價低等特點，被應用到液位系統(tǒng)的控制中來。本文介紹了用液位檢測集成芯片LM1042和A/D轉換芯片A/D574A，以及AT89C51單片機作為主控元件的液位檢測的原理、電路及監(jiān)控程序。用LM1042液位檢測集成芯片測量液位，具有測量精度高、速度快、可靠、穩(wěn)定等優(yōu)點；采用單片機來控制液位信息的采集，并且計算出真實液位值，通過運算判斷是否超限報警，使檢測具有更高的智能性。關鍵詞：AT89C51AD574A液位檢測LM1402超限報警-3-煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化第1章緒論本設計研究的內容和方法內容：設計某制藥廠液缸內液位檢測系統(tǒng)，本設計以MCS-51系列單片機為核心，采用常用電子器件設計，自行設計電源，選用合適的液位檢測傳感器，檢測液位，數碼管顯示，當液位高度太高或太低時，報警。（可采用中斷方式設計）方法：本設計經過調研，收集且分析相關技術資料，綜合考慮液位檢測技術發(fā)展和液位檢測系統(tǒng)特點的基礎上，提出把液位檢測顯示同超限報警綜合的解決方案。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為處理器，主要完成以下工作：1．基于AT89C51的液位信息檢測設計方案。2．傳感器LM1042，A/D轉換芯片AD574A與單片機的接口電路設計。3．LED數碼管驅動芯片ICM7218與單片機的接口電路及其與數碼管的硬件連接。4．設計主要軟件程序模塊，完成軟件設計。-4-煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化第2章系統(tǒng)硬件設計2.1系統(tǒng)總體功能概述該系統(tǒng)以AT89C51作為核心控制部件，外加傳感器。一片A/D轉換芯片和一片數碼管驅動芯片來完成系統(tǒng)的預期任務，即液位的檢測、顯示和超限報警。LM1042外接的熱阻探針溫度的變化依賴于周圍材料的熱阻的大小，而空氣和液體的熱阻大小有很大差別，從而可以根據探針在液體中的深度不同時電阻的不同檢測出液位的深度信息，由LM1042內部轉換電路網絡轉換為與液位成線性關系的電壓信號，再由12位逐次逼近型A/D轉換芯片AD574A將模擬信號轉換為數字信號，實現(xiàn)液位信息的輸入，AT89C51從AD574A讀取液位信息后進行數據處理和超限判斷，隨后將處理過的數據輸出到數碼管驅動芯片ICM7218的RAM中，由ICM7218實現(xiàn)數碼管的靜態(tài)顯示，若液位超限則由單片機驅動蜂鳴器報警。圖2-0為系統(tǒng)總體結構圖：圖2-0系統(tǒng)總體結構圖各部分功能：1.電源部分提供+5V+15V-15V電壓供系統(tǒng)各部分使用。2.傳感器LM1042實現(xiàn)液位信息到電壓信號的轉換。3.AD574A將傳感器輸出的電壓信號經A/D轉換后送到單片機。4.AT89C51為處理器，實現(xiàn)液位信息的接收、數據處理、和輸出到ICM7218.5.蜂鳴器部分在單片機檢測到液位超限是由單片機驅動實現(xiàn)聲音報警。6.單片機對液位數據處理后輸出，由ICM7218驅動數碼管顯示。-5-煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化2.2核心芯片的選擇（1）單片機AT89C51AT89C51單片機簡介單片機是把微型計算機主要部分集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機。單片機應用系統(tǒng)的基本構成如圖2-1如圖2-1單片機應用系統(tǒng)的基本構成AT89C51簡介AT89C51主要參數如表所示：AT89C51含E2PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng)，防止E2PROM中的程序被非法復制。不用紫外線擦除，提高了編程效率。程序存儲器E2PROM容量可達20K字節(jié)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。1.主要特性：與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器-6-煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化壽命：1000寫/擦循環(huán)全靜態(tài)工作：0HZ-24HZ三級程序存儲器鎖定128*8位內部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內振蕩器和時鐘電路2.管腳說明：VCC:供電電壓GND:接地P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，他可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FLISH進行校驗時，P0輸出源碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉位高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLISH進行校驗時，P1口作為第八地址接受。P2口位一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。胖口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給地址“1”時，他利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出器特殊功能寄存器的內容。P2口在FLISH編程和校驗時接受高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是八個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接受輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，他們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3口也作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管腳備選功能P3.0RXD(串行輸入口)-7-煙臺大學機電汽車工程學院機械設計制造及其自動化P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（計時器0外部輸入）P3.5T1（計時器1外部輸入）P3.6/WR(外部數據存儲器寫選通)P3.7/RD（外部數據存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG:當訪問外部存儲器時，地址所存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLISH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定是目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器是，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高，如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN:外部程序存儲器的的選通信號。在有外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號講不出現(xiàn)。/EA/VPP:當/EA保持低電平時，則在此期間外部存儲器（0000H-FFFFH），不管內部是否有程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖存為RESET;當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）.XTAL1:反響放大振蕩器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入XTAL2:來自反響振蕩器的輸出。3.I/O口引腳：a:P0口，雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數據總線分時