1、 本科 毕业设计 电动自行车电动机驱动系统的设计与仿真 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1 摘要 随着科技的进步，社会文明的发展，在当前石油资源短缺和环境污染的加剧的情况下，作为一种理想的“绿色”代步工具，电动自行车的发展受到 了人们的重视。电动自行车无污染，低噪音，速度适中，操作简单，价格低，俨然成为人们的新宠。开关磁阻电机是随现代电力电子技术，微计算机控制技术发展起来的新型电机，凭借成本低、效率高，灵活控制等优点，十分适合于电动自行车。 本文首先介绍了开关磁阻电机及其的发展状况，并对开关磁阻电机的特点进行了阐述 ;其次，针对电动自行
2、车用驱动电机的要求，完成了电机参数选择、电机基本结构示意图设计、功率变换器的拓扑结构选择、功率开关管的选择与参数定额、以及功率变换器的损耗估算。 课题设计主要包括两个部分，第一部分是开关磁阻电机的一体 化驱动控制器的设计 ;第二部分是位置检测的设计。一体化驱动控制器设计包括系统电源、功率驱动电路、位置信号输入电路、转速反馈 FN 转换电路、闭环控制电路、 PWM 波生成电路、电流斩波电路、欠压保护电路、过流保护电路。位置检测设计包括直接检测和间接检测两种方案。首先，针对电动自行车独特的外转子式电机结构，设计了一种使用光电传感器的直接检测方案 ;其次，从SR 电机的相电感与转子位置之间关系开始分
3、析，建立了 SR 电机的线性电感模型，提出了非励磁相电感法间接检测方案的设计构思。在间接位置检测硬件设计中，介绍了电感谐振电路、续流 检测电路及 DSP 数字处理单元，并结合软件设计给出了部分软件设计。 最后，对设计的系统进行仿真，总结。验证了驱动控制器的功能，证明了系统设计的合理性。 关键词 ：开关磁阻电机 ;SR 电机 ;电动自行车2 Abstract With the progress of science and technology, the social civilization development, in the current oil resources shortage
4、and environmental pollution intensifies, as a kind of ideal “green“ transport, electric bicycle development by peoples attention. Electric bicycle no pollution, low noise, speed, moderate, simple operation, low prices, has become a people to be bestowed favor on newly. Switched reluctance motor is w
5、ith modern power electronic technology, microcomputer control technology developed, relying on the new motor cost is low, the efficiency high, flexible control etc, very suitable for electric bicycles. This paper first introduces switched reluctance motor and its development status, and the characte
6、ristics of switched reluctance motor discussed; Secondly, with drive motor for electric bicycle, completing the motor requirements of selecting parameters, basic structure schematic design, motor power converter topology selection, power switch tube choice and parameter quotas, and the loss estimati
7、on in power converters. Topic design includes two parts, the first part is the integration of switched reluctance motor driving controller design; The second part is position detection design. Driving controller design including system integration of power supply, power drive circuit, position signa
8、l input circuit, rotational speed feedback FN conversion circuit, closed-loop control circuit, PWM waves generated circuit, current chopper, undervoltage protection circuit, over-current protection circuit. Position detection design including direct detection and indirect testing two options. First
9、of all, for electric bicycle unique exterior rotor type electrical engineering structure, design a kind of use direct detection scheme photoelectric sensor; Secondly, from SR motor phase inductance and began to analyze relationship between rotor position, established the SR motor linear inductance m
10、odel, and then puts forward the non excitation phase inductance method indirect testing scheme design idea. In indirect position detection hardware design, introduces the inductance resonance circuit, free-wheeling detection circuit and DSP digital processing units, and combined with the software de
11、sign gives part of the software design. Finally, the design of the system, and simulation summary. Verify the function of driving controller, proved the rationality of the design of system. Keywords： Switched Reluctance Motor； Position Detection; Electric Bicycle 3 目录 第一章 绪论 . 5 1.1 电动自行车车驱动系统的发展 .
12、5 1.2 驱动电机 的分类 . 5 1.3 课题驱动系统的选择目的和意义 . 6 第二章 开关磁阻电机驱动系统 . 7 2.1 开关磁阻电机驱动系统的发展 . 7 2.2 开关磁阻电机系统组成 . 7 2.4 开关磁阻电机的结构和工作原理 . 8 2.5 开关磁阻电机的数学模型 . 10 2.6 机械特性 . 13 2.7SRD 系统的位置信号检测 . 14 第三章 SR 电机控制器硬件电路的设计 . 16 3.1 控制器的整体构成 . 16 3.2 系统硬件概述 . 16 3.3 ATmega48 的外围电路设计 . 17 3.3.1 系统时钟的选择 . 17 3.3.2ISP 下载接口设
13、计 . 18 3.3.3 AD 转换电源的降噪设计 . 19 3.4 复位电路的设计 . 20 3.5 电源电路和电压采样电路 . 20 3.5.1 电源电路 . 20 3.5.2 电压采样电路 . 21 3.6 系统功率电路及 MOSFET 驱动电路的设计 . 21 3.6.1 系统功率电路 . 21 3.6.2 MOSFET 驱动电路 . 22 3.7 转子位置信号处理电路 . 23 3.8 电流检测和保护电路 . 24 第四章 驱动器的软件设计 . 25 4 4.1 总的设计思路 . 25 4.1.1 主程序 . 25 4.1.2 初始化程序 . 26 4.2 各功能模块的设计 . 26
14、 4.2.1 位置检测模块 . 26 4.2.2 换相控制模块 . 28 4.2.3 双闭环控制模块 . 28 4.2.4 AD 采样模块 . 28 4.2 5 刹车控制模块 . 29 4.2.6 过流保护模块 . 30 4.2.7 欠压保护模块 . 30 4.2.8 定速巡航模块 . 31 第五章 系统仿真 . 33 5.1 仿真 . 33 5.2 结论 . 35 总结 . 36 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 37 5 第一章 绪论 电动自行车是解决世界能源危机、大气污染等重大难题的理想代步工具。 20 世纪 70 年代，中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动自
15、行车从沉寂期走出来，再度成为技术发展的热点。 电动自行车的研究，主要是车体，蓄电池和驱动系统三个部分。电动自行车的整体运行性能，经济性等主要取决于电池系统和电动机的驱动系统。其中驱动系统的优劣对电动自行车的驾驶性能，续驶里程起着至关重要的作用。近年来各国试图寻 找一种结构简单，效率高和性能可靠的无极调速电机驱动系统。 1.1 电动自行车车驱动系统的发展 电机是电动自行车的驱动组件，目前国内外的电动自行车采用的电机主要是永磁直流电机，有无刷和有刷，低速和高速之分。以前，大多数电动自行车使用的电机为有刷低速直流电机，随着科技的进步和电子组件成本的下降，无刷直流电机成为当前电动自行车的首选电机。随着
16、交流技术的不断提升，开关磁阻电机驱动系统得到了更多的关注。作为驱动的主体 开关磁阻电机，结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，也愈来愈得到专家和研发人员的认可 和应用。 1.2 驱动电机的分类 有刷直流电机主要分为印制绕组电机和线绕组盘式电机。有刷直流电机的特点是控制简单，低成本，有着超强的过载能力 ;缺点是需要电刷、换向器，对电机的工作效率造成影响。有刷直流电机又有齿轮和无齿轮之分。有刷有齿电机是一种高速电机，它是通过齿轮减速机构，将电机转速降低。优点是起动时动力比较足，且爬坡能力强。缺点是轮毂是封闭的，润滑脂用户本人不能加，也很难进行日常保养，并且齿轮本身也存在磨损，很容
17、易因为润滑脂的消耗而导致齿轮磨损加重，发出比较大的噪声，消耗电流变大，对电机和电池的寿命造成威 胁。而有刷无齿轮电机是外转子式的低速电机，不需要靠齿轮来减速，选取的是低速输出方式，避免了因齿轮啮合而发出的噪声，其缺点是电机输出转矩小，启动时动力相对较不足，爬坡能力也感觉较弱。优点是运行安全，噪声小。 无刷直流电机不带电刷，无需齿轮减速，从根本上消除了电刷磨损和齿轮磨损，不存在定期更换电刷，而且噪声很小。无刷直流电机是由电动机本体、转子位置传感器以及电子换向电流三部分组成。无刷直流电机的优点：无干扰，长寿命、高效率、维护简单、运行可靠，可在宽广的范围内平滑的调速：缺点：与有刷直流电机相比，控制系
18、统复杂 ，成本高。 开关磁阻电机结构坚固耐用，适应恶劣环境高速运行。驱动电流简单，成本低，性能可靠，电机易冷却，能四象限运行，在宽广的转速范围内有着高效率和功率因素，并且可控参数多，起动电流小，容易智能化处理满足不同要求。缺点转矩脉动打，噪声大电机需要适应位置传感器，增大结构复杂性。 6 1.3 课题驱动系统的选择目的和意义 开关磁阻电机的一系列特点证明其非常适合电动车对电机驱动系统的要求 ，开关磁阻电机驱动系统在大功率的电动汽车上已经运用成功，在小功率的电动自行车上正不断开发，现有的电动自行车驱动电机主要是永磁直流电机 ，电动自行车采用开关磁阻电机驱动系统的设计是一个很好的尝试。 7 第二章
19、 开关磁阻电机驱动系统 2.1 开关磁阻电机驱动系统的发展 开关磁阻电机（ SRM）的基本结构及原理的出现可以追溯到 19 世纪 40 年代，由于其特殊的运行原理，人们对开关磁阻电机的研究一直没有很大进展，直到 1970 年，英国 里兹 大学和诺丁汉大学联合研究开关磁阻电机，首创了开关磁阻电机的雏形，为后来开关磁阻电机的发展奠定了基础。之后又了实质性的进展，可以为 50KW 的电瓶汽车提供装置。 1980 年，英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司，专门研究、开发 、设计 SRD 系统，在 1983 年首先推出了 SRD 系列产品，并为该产品命名为 OUTTON。此外还研制了一种适用于有轨电车
20、的驱动系统，到 1986 年运行已达 500km。该产品的现世，在电气传动界引起了不小的反响。在很多性能指针上达到了出乎意料的高水平，整个系统的综合性能指针达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。 随后，世界很多国家也开始对 SRD 系统的研究。大约从 1985 年开始我国开展了对 SRD的研究工作，在借鉴国外技术经验的基础上，我国的 SRD 研究进展较快，先后开发出 3.5kw、5.5kw、 7.5kw 等规格样机，一些产品并小批量投入生产。之后 SRD 系统的研究被列入我国中、小型电机“八五”、“九五”、“十五”科研规划项目，对 SRD 的研究的重视程度。其中华中科技大学开关磁阻
21、电机课题组在“九五”项目中研究出适用 SRD 系统的电动汽车，并在“十五”项目中将 SRD 应用到混合动力城市公交车，都取得了可观的运行效果。目前， SRD 已成功运用到很多领域。 2.2 开关磁阻电机系统组成 SRD 系统主要是由开关磁阻电机（ SRM）、功率变换器、控制器及位置和电流检测器四部分组成。其中 SR 电机是 SRD 中实现机电能量转换的部 件，功率变换器是 SR 电机运行时所需能量的供给者，检测器反馈 SR 电机信息以用于控制，控制器控制 SR 电机以实现高性能驱动。它们之间的关系如图 2.2 所示 图 2.2 SRD 系统组成 一 开关磁阻电机 8 SR 电机是 SRD 系统
22、中实现机电能量转换的部件，也是 SRD 系统有别于其它电机驱动系统的主要标志。可以通过输入电流的大小来控制电机的转矩输出及转速。通过改变电机各相的通电顺序来改变电机的转动方向。 二 功率变换器 功率变换器是向电机直接提供能量的部件，由半导体开关组件组成，受控制器的输出控制，实现电机在不同时刻 的换相。其输出为蓄电池的直流电或交流整流的直流电。 三 控制器 控制器是 SRD 系统的核心部分。由位置和电流检测器提供反馈信息，传达到控制器，然后控制器综合处理，最后通过对功率变换器的控制，实现对 SR 电机运行状态的控制。在 SRD中，控制器需要有的功能： （ 1）电流斩波控制或电压斩波控制。 （ 2
23、）角度位置控制。 （ 3）起动、制动、停车及四象限运行。 （ 4）速度调节。 四 位置检测电路 若要电机能按要求转到，就需要在转子运行到适当位置时给予适当的相通断，否则会出现电机的停反转甚至是乱转，电机就不能按要求转到。这也 就是开关磁阻电机调速系统明显区别于其他电机系统的地方：需要一个位置检测电路。 五 电流检测电路 在电机运行过程中如何保护电机不会因电流过大而导致损坏，这是就需要对电机的相电流值进行实时的检测，这就是需要电流检测电流的原因。 2.4 开关磁阻电机的结构和工作原理 开关磁阻电机的结构和反应式与步进电机相似，系双凸极可变磁阻电动机。 SRD 电机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结
24、构，定转子的凸极均由普通硅钢片迭压而成，而且定转子极数不相等。转子既无绕组也无永磁体，定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联成一相。 20 多 年来， SR 电机一直受到了人们的广泛关注，设计出多种相数结构不同的 SR 电机，按相数分有单相、双相、三相、四相和五相，低于三相的 SR 电机无自启动能力。对于有自启动、四象限运动要求的驱动场合，应优选表 2.4 所示的定、转子极数组合方案。相数多，步进角小，利于减小转矩脉动，缺导致结构复杂，而且主开关器件增多，成本就高，目前应用较多的是三相 6/4 极结构和四相 8/6 极结构。 表 2.4 9 图 2.4.1 四相 8/6 极 SR 电机 图
25、 4.2.a 为 四相 8/6 极 SR 电动机，有 A, B, C, D 四相绕组。 相对于 m 相 SR 电动机来说，如设定子齿极数为 NS，转子齿极数为 Nr，则转子极距角 r rr N 2 （ 2.1） 现在将各个相绕组通断点，把转子转过的角度大小定义成步距角 p ，则 mNmrp 2 （ 2.2） 现在将转子旋转一周，所以每转步数大小为 rPP mNN 2（ 2.3） 旋转一周，相绕组就要依次电 rN 次，这样就能得出 SR 电动机的转速 n(r/min)与每相绕组的通电频率 f 之间的关系 rNfn 60 （ 2.4） 功率变换器的开关频率 cf 为 60nmNmffrc （ 2.
26、5） 电机极数和电机性能和成本相数密切相关，在一般情况下，随着极数和相数的增多，电机的转矩脉动就会相应变小，这样一来运行起来平稳些，但是复杂性和成本也相应提高了。相对的，相数和极数变了，虽然成本降低了，但转矩脉动增大了。本文选用的是四相 8/6 级 SR 电机，其特点极相数合适，转矩脉动在理想范围内。 SR 电机遵循磁通总是要沿着磁导最大路径闭合的原理，产生磁拉力形成磁阻性质的电磁转 矩，故转子旋转时磁路的磁阻需要尽可能大的变化。如图 2.4.2 所示，其工作过程如下： 当 A 相绕组控制开关 1VS ， 2VS 闭合时（ B,C,D 三相绕组都不通电）， A 相励磁，所产生的磁力则试图使转子旋转到转子极轴线 1 与定子极轴线 A 重合的位置，从而产生磁阻性质的电磁转矩。以图 4.2.b 所示定、转子所处的相对位置作为起始位置，当定子绕组 A B C D 相绕组 通电，转子会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给 B A D C相通电，则转子会沿顺时针方向转动。可见， SRM 的转向仅取决于相绕组通电的顺序，与相绕
