首页：恒煊娱乐挂机摘要：开关磁阻电机因其优良的性能而成为电动自行车中极具潜力的驱动机种。本文的研究首先从仿真分析开关磁阻电机的结构设计和性能优化入手，设计开关磁阻电机的软、硬件体系，通过软件测试优化控制软件，使整个开关磁阻电机控制系统的可靠性得到极大提高。

　　在目前全球石油危机、大气污染和人们环保与节能意识增加的情况下，电动自行车具有摩托车与自行车的综合优势：轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉，成为私人交通工具的重要组成部分。

　　开关磁阻电机的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高，而成为电动自行车中极具潜力的驱动机种。

　　目前开关磁阻电机控制系统研究方向主要在以下四个方面[1]：（1）SR电机的设计理论与建模问题；（2）功率变换电路的设计；（3）无位置传感器研究；（4）转矩脉动及噪声控制的理论研究。

　　然而对控制软件的可靠性的研究很少，而正是处于控制系统核心地位的控制软件质量的优劣将直接影响到电动机运行的性能。当前控制软件反应出以下几点缺陷[2]：（1）对位置信号的处理和角度解算已不能满足电机高速时的实时控制；（2）电机运行时由于触发源、工作模式等切换所引起的输出控制脉冲之间的时序冲突开关磁阻电机调速系统称为嵌入式系统，控制软件称为嵌入式软件。随着科技的进步嵌入式系统的软硬件均已允许大型复杂的控制软件得以运行使用。但是相比速发展的嵌入式软、硬件体系，嵌入式软件的测试技术大大地落后了，所幸的是嵌入式软件的测试技术在近十年内得到了业界人士的关注。中外学者在以下几方面进行了广泛深入的研究。（1）国外的嵌入式软件测试工具[3]；（2）嵌入式软件仿线）嵌入式软件实时性测试的研究[5]；（4）嵌入式软件的测试模型[6]；（5）程序插桩技术的研究[7]；（6）测试用例自动生成的研究[8]。

　　一方面对电机控制类的嵌入式软件没有专门的研究；另一方面电动自行车的广阔市场需求对成本和可靠性也提出了更高的要求。正是在此背景下提出了本课题。

　　SRD（开关磁阻电机调速系统）主要由SR电机、功率变换器、控制器、位置传感器四大部分组成。

　　SRM（开关磁阻电机）的结构和工作原理与传统的交直流电动机有着根本区别，SRM的转矩是磁阻性质，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，因磁场扭曲而产生切向磁拉力，产生的磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩[9]。当定子磁极轴线与转子磁极轴线不重合时，相绕组通电，电动机内建立起以定子轴线为中心的径向磁场，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力作用而产生转矩，使转子转动，直到转子磁极轴线与定子磁极轴线重合。顺序给定子相绕组通电，转子将沿顺时针或逆时针方向转动。

　　SR电机有三种控制模式。即角度位置控制方案（简称APC）、电流斩波控制方案（简称CCC）、脉宽调制控制方案（简称PWM）三种方案。在低速时为了限制过高的相电流采用电流斩波控制，高速时采用角度位置控制，而在整个调速范围内都采用脉宽控制。为了得到较好的控制性能，通常要将上述两种或三种控制方法结合起来。

　　开关磁阻电机的模型可分为三类：线性模型、准线性模型和非线性模型。要准确计算SR电机性能，对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性方法。

　　在JMAG-Studio中建立不同定转子结构的电机模型，通过有限元分析的方法计算一组不同转子位置下的磁化曲线簇，在路计算仿真软件的配合下得到电动自行车驱动电机额定转速下的效率，低速下起动能力及过载力等相关性能的对比。对比三种方案24/32、36/48、36/24，结合额定工作点效率、过载能力两点，结果36/24综合性能最具有优势。最终确定本文所研究的SR电机属于轮毂式驱动电机，为三相（转子齿数小于定子齿数）36/24极外转子式开关磁阻电机，即定子有36个凸极，转子有24个凸极。轮毂式电机设计合理、结构紧凑、体积小、重量轻，非常适合用于电动自行车驱动电机。

　　由JMAG软件对SR电机进行有限元场计算的仿真，而得到的磁链函数，进行反演得到i（θ，

　　）。依据反演获得的i（θ，

　　）在MATLAB/SIMULINK软件中搭建SR电机的非线]。用此模型进行电机性能的仿真，而得到控制策略如下：

　　1、三相六拍起动，即以CA-A-AB-B-BC-C顺序导通，A、B、C三相每相导通7.5°，间隔5°导通，这样得到三相合成转矩是单方向的。

　　2、导通和关断角的优化，近似把开通角和关断角区间分为0-150r/min，150-300r/min，300-510r/min，510r/min以上，定为在转速为110r/min时进行查询模式和比较输出模式的切换。

　　3、整车运行控制策，整机运行时，电动时采用非能量回馈（NERVC）斩单管，制动时采用能量回馈（ERVC）斩双管。

　　4、再生制动控制，整个系统大致的制动情况为：转速高制动强度要求不高时，采用纯电制动；转速高制动强度要求高时，采用电制动加摩擦制动；转速低时采用摩擦制动。

　　SRM数字控制系统主要包括SR电机本体、位置信号检测电路、功率主电路、驱动电路、电流斩波电路、过流保护电路以及dsPIC3011和普通逻辑电路为核心的数字控制系统等部分。

　　考虑到实际电动自行车驱动系统采用的小功率SR电机、低压蓄电池直流供电电源，故采用不对称半桥，本类型变换器最大的优越性是工作可靠性高，不存在全桥变换器可能出现的电源“直通”故障，同时该变换器各相工作独立，控制灵活方便，所选驱动开关管型号为ST公司的STP75NF75。考虑到电动自行车控制器的制造成本，采用线性电源加自举驱动的方式，而驱动半桥逆变器中同臂的两个MOSFET而采用专门为驱动高压、高速设计的IR2101。

　　位置检测采用光电位置传感器，它由装在轴上的转盘和装在定子上的三个光电传感器件组成。三个光电传感器通过电路输出三路相位分别相差5°的基本信号，由两级施密特反相器CD40106对位置传感器输出信号进行脉冲整形、去毛刺等预处理，形成理想的方波信号。

　　当SRM处于起动状态或者低速运行时，由于反电势很小，相电流峰值很大，故常采用电流斩波控制。斩波电路如图所示。电流斩波信号由电位器调节所得，作为有效的斩波限。同时，为了保证系统的安全运行，采用更高的一个门限电流值作为系统的过流保护阀值。相电流经采样和预处理后通过比较器与设定好的过流保护值进行比较，正常工作时输出信号为低电平，一旦过流对应该相的过流信号OC输出高电平，该信号送入DSC进行处理。

　　本系统选用美国Microchip公司的dsPIC系列单片机3011为电机的主控芯片，它具有低功耗、高性能的处理能力，集成了高速捕捉/比较、一个10位A/D转换器和多路PWM脉冲发生器，供电电压降为3.3V，减小了控制器功耗。目前SRM控制电路多采用MCU、DSP加GAL或者CPLD作为控制核心，而本系统考虑到功耗（GAL的功耗较大）和降低成本而采用四片普通逻辑电路即两片SN54ALS27AJ，一片SN54ALS04BJ和一片SN54ALS08J代替GAL或者CPLD作为单片机接口电路的扩展。

　　对整个控制系统进行实验分析，电动模式时角度位置控制（APC）、斩波控制（CCC）、脉宽控制（PWM）三种方式有效，低速重载、额定状态下软件运行稳定，模式切换过渡平稳。

　　实验数据获得：在频率为185.2Hz的位置信号输入下，系统仍能正常解算位置输出，此频率对应的转速约为11111.1r/min，因此可看出在中断程序中对角度解算的处理是有效的。30F3011的时钟频率是8M，而高速DSP芯片的时钟频率可达25M，所以如采用本文的角度解算方法，转速将达30000r/min以上。

　　最终得到一良好的机械外特性，证明通过修改软件缺陷后，整个控制系统的可靠性确有极大的提高。

　　制动时进行了电能回馈测试实验，由表3.1可见能量回收效果明显，达到了再生制动的控制目标。

　　[1]詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉，华中理工大学出版社，1992.

　　[2].高速开关磁阻电机的关键技术研究与实践[D].南京：南京航空航天大学，2008.

　　[3]朱红军.一种嵌入式软件覆盖和分析测试方法[J].航空计算技术，2009，39（5）：65-67.

　　[9]吴建华.开关磁阻电机设计与应用（第1版）[M].北京：机械工业出版社，2000.

　　[10]刘迪吉等，开关磁阻调速电动机[M].北京：机械工业出版社，1994：83～88.

　　[11]陈昊，开关磁阻调速电动机的原理·设计·应用[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000：24～61.