电动自行车用SRM控制系统的设计与研究

【摘要】 当前,电动自行车广泛采用永磁电机,但是其爬坡能力差、永磁材料匮乏等问题限制了电动自行车持续、健康发展。而结构简单、性能可靠的开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor;SRM)具有高启动转矩和低启动电流,在较宽的调速范围内仍能达到较高的效率,非常适用于频繁启停的电动自行车。因此,本文以电动自行车用三相6/4极SRM为控制对象,对控制器进行设计。本文首先分析SRM的基本原理,并结合电动自行车的特点,对电动自行车用SRM控制系统进行总体方案设计。同时在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型,仿真结果验证了系统方案的合理性、可行性；为了克服SRM转矩脉动大的缺点,本文采用了基于三电平拓扑下的直接瞬时转矩控制(Direct Instantaneous Torque Control;DITC)策略。重点介绍转矩滞环调节器的工作原理,通过转矩偏差与转矩滞环限宽相比较,得到电机各相绕组的电压状态,实现各相绕组的开通与关断,从而抑制转矩脉动。仿真结果表明,转矩脉动被严格限制在给定范围内,和直接转矩控制相比,DITC有效地抑制了SRM的转矩脉动。根据电动自行车用SRM控制系统的特点,本文以250W三相6/4极SRM为控制对象,以STM32F103为控制核心,设计了电动自行车用SRM控制器,硬件电路主要包括MOSFET驱动电路、功率变换器电路、稳压电源电路、位置检测电路；软件部分包括主程序、电动或回馈制动运行子程序、转速测量子程序等。从搭建的实验平台测试结果看,证实了本文设计的正确性。最后讨论了搭建的实验平台及所取得的结果,分析了系统设计中存在的不足,并提出了下一步的工作目标。 

第一章绪论

1.1课题研究背景与意义
根据国家能源研究会2012年发布的统计数据，中国的化石能源消费总量排在全球第二位，仅次于美国。从公布的数据中可以总结出，2011年全年我国能源消费总量比上一年增加7%，达到了惊人的34.78亿吨标准煤。截止到2012年底，我国初次能源消费比上一年增长了 4%,达到了约36.2亿吨标准煤。报告还提到，我国是一个严重依赖石油进口的国家，依赖度达到了 56.6%,并且这种对外依赖度有继续提高的趋势[1]。消耗如此大量的能源必然会产生严重的环境问题，2013年，中国中东部以及华北地区笼罩在雾霾的厚重面纱之下，污染地区之广让全世界震惊，首都重污染天数超过了过去半个世纪中的任何一年。2014年1月，北京的空气污染指数曾经达到755这一严重污染的水平，居然比WHO归定的“危险”标准高出一倍还多，而如此严重的污染很大程度上是来自于燃煤发电和机动车尾气，这己经引起了中国领导人和全体国民的重视[2]。全球环境的不断变迁以及社会现代化建设的不断完善改变了人们的出行方式。截止到2013年底，在交通管理部门注册登记的机动车已经突破了 25000万辆，其中汽车占到了总量的54.8%，平均每5?6人就拥有一辆机动车，具有机动车驾照的人接近28000万，十年时间提高了 29.9%[3]。汽车市场的持续繁荣不仅产生了大量的汽车尾气，同时还引起了城市交通拥堵，已经成为阻碍我国城市发展的重要因素。各地政府面对交通拥堵、空气污染等问题采取了各种各样的措施加以解决，比如，北京：调控小汽车数量、调整停车费、限制外地人购车、购车上牌需摇号等待、外地车上路限时；天津：对汽车牌照数量进行严格控制、重污染天气实施汽车单双号限行；上海：采取被公众喻为“最贵铁皮”的车牌“拍卖制”；广州：“半摇号、半拍卖”制度，封存一部分公务用车。但上述措施均治标不治本，治污、治堵效果不理想，以北京为例，2012年周一到周五每天平均堵车时间为1.5小时，而到了 2013年这个平均时间接近2小时。
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1.2 SRM的概况与研究动态
磁阻式电动机最早出现在1842年，当时英国的Aberdeen和Davidson在制造电动车时采用U型电磁铁，其实现原理和现在的SRM运行状况非常类似。但由于当时功率电子开关及其相关的一系列技术还没有问世，于是采用了当时普遍使用的机械开关控制技术，致使电机静态和动态性能、安全性非常差，所以当时没有得到很好地发展和推广。1969年以后，随着大功率晶间管的广泛使用和电力电子技术发展，SRM进入了一个快速发展的阶段。1970年，首台SRM样机在英国Leeds大学步进电机实验室研发成功。1980年，Lawrenson等人对SRM的运行原理和特性进行了深入地分析，至此SRM在电机行业内得到了认可。1983年，英国公司SRD.Ltd推出了世界上第一套命名为OULTON的幵关磁阻电机驱动系统产品，1984年，SRD丄td公司推出了适用于有轨电车的开关磁阻电机驱动系统，并且取得了优异的成绩，这极大地刺激了各国竞相研究SRM的热情，包括美国、南斯拉夫等国，并取得了一系列成果。在SRM的研究过程中虽然我国起步比较晚，但是研究的起点相对较高。从1984年起，我国的许多大学以及科研机构等相继开展了 SRM的研发工作，在吸收国外经验的基础上，我国各科研机构在SRM方面的进展很快，在控制系统、仿真、设计理论、电磁场分析等方面做了大量工作。经过科研人员二十年努力，目前已经研制出功率从10W到5MW的工业产品样机，将其用于频繁起停、制动和正反转的机械，如电动车驱动、洗衣机、纺织以及采油机械等各个领域。
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第二章电动自行车驱动系统方案设计

2.1 SRM基本理论
不论是结构还是工作原理，SRM都与传统电机有着很大的不同。具有双凸极结构的SRM，定、转子不需要永磁材料，由桂钢片制造而成，和电机转子不同的是定子上缠有绕组。SRM的定、转子数目是不相同的，定子上径向绕组通过串联成为一相，目前有单相、两相、三相、四相、五相以上SRM，单相由于启动问题或者存在转矩“死区”，实现起来比较困难；两相电机在平衡位置、非平衡位置也同样存在转矩“死区”，无自启动能力，所以单相和两相SRM应用较少。要想在电机正转或者反转情况下都具备自启动能力的SRM相数至少为三相，其中又以三相6/4极最为常见。通常情况，相数较多的电机运行特性较优越，但是相数多导致成本增加、控制复三相6/4极SRM结构如图2-1所示。SRM运行原理遵循“磁阻最小原理”。当SRM定、转子处于对齐位置时，磁阻最小，相绕组电感最大；当定、转子不处于对齐位置时，此时通电，电机磁场会产生沿切线方向的电磁转矩，迫使定、转子凸极中心线重合。如图2-1所示为三相6/4极SRM,其中Us为直流电源，VTK VT2为主开关器件，VD1、VD2为电机续流时提供通路的二极管。下面对A相绕组进行说明，此时开通VT1、VT2，绕组建立以A-A，为轴向的磁场，转子a-a’会产生沿切线的电磁力，迫使其向中心线A-A’靠近，当定、转子A-A’和a-a’中心线重合时，A相关断，此时导通B相，转子b-b’会产生沿切线的电磁力，迫使其向B-B’中心线靠近，当定、转子B-B’和b-b’中心线重合时，B相关断，之后依次开通C、A相，电机沿逆时针运转起来;如果依次开通B-A-C-B相，电机顺时针运转[19]。由此可以推断，相开通次序决定了电机是正向还是反向运转，而无关电流的流向。
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2.2总体方案设计
电动自行车用SRM控制系统主要包括SRM本体、稳压电源、功率变换器、MOSFET驱动、欠压检测、电流检测、位置检测、控制核心、负载等部分组成，其控制系统如图2-2所示。SRM作为控制的对象，起到能量转换的作用，即电能向机械能转换；功率变换器根据各相导通信号确定各MOSFET的通断，从而进行电能的传递；位置检测、电压、电流检测记录了电机的运行状态，并为电机下一时刻的正常运行提供依据：位置信号是SRM得以连续运转的必要参数，决定了下一时刻电机的导通相；电流、欠压检测信号则用来进行过流、欠压保护；控制电路作为整个驱动系统的控制中枢，根据检测信号发送相应的指令，以确保整个驱动系统安全可靠的运行。轮毂式驱动和中轴式驱动是目前广泛应用在电动自行车上的两种驱动方式，其中轮毂式驱动电机又包括高速和低速电机。由于噪声小、价格低廉、制造简单等因数，低速轮毂电机在较长的一段时期内比较受欢迎，但是由于其输出特性软、启动转矩小、爬坡和过载能力较弱，同时在断电后脚踏骑行电磁阻力较大。因此，低速轮毂电机的市场份额日趋减小；而高速轮毂电机由于结构复杂，特别适合较大功率大转矩场合，如电动汽车。
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第三章SRM转矩脉动抑制方法的研究........ 21
3.1 DITC原理及系统组成........ 21
3.2磁链非线性模型........  24
3.3基于DITC的SRM控制系统的建模与仿真........  26
3.4仿真结果分析........  27
3.5本章小结........  29
第四章电动自行车用SRM控制系统硬件电路设计........  30
4.1硬件电路总体设计........  30
4.2控制器硬件电路设计........  31
4.3硬件可靠性设计........  39
4.4本章小结 ........ 40
第五章电动自行车用SRM控制系统软件设计........  41
5.1总、体设计........  41
5.2系统软件可靠性设计........  49
5.3本章小结........  49

第六章实验结果分析

6.1实验平台介绍
本文根据以上理论建立了驱动系统软硬件实验平台，分别在空载和加载情况下对系统软硬件进行验证，为电动自行车用SRM的市场化应用提供必要地理论依据。由于实验条件有限，本文所介绍的DITC只是通过仿真验证了其可靠性、优越性。现以额定电压24V，额定功率40W，三相6/4极SRM为实验对象对系统方案部分设计指标进行验证。部分硬件实验平台如图6-1所示，主要包括直流稳压电源、SRM电机本体、SRM驱动控制器、示波器等，表6.1为实验过程中所需要的设备。控制核心STM32F103采用的软件开发平台为Keil uVision4, 2011年3月ARM公司在其集成幵发环境RealView MDK产品中添加了最新版本的Keil uVision4。KeiluVision4带有灵活的窗口管理系统，能够任意拖放视图内的窗口，同时还有调试还原、项目工作区多等功能。良好的用户界面旨在提高软件开发人员的生产力，使软件开发人员更快、更有效、更轻松的幵发软件程序，在工作中感受编程的乐趣，同时还有重要的一点就是Keil uVision4支持更多最新的ARM芯片。基于Keil uVision4的电动自行车用开关磁阻电机驱动系统部分程序如图6-2所示。

结论

本文以250W三相6/4极SRM为控制对象，并结合电动自行车的应用特点，设计了基于SRM的电动自行车驱动系统。本文在系统方案设计、硬件电路的设计、器件选型等做了比较深入的研究，针对SRM转矩脉动大限制其应用的问题，本文采用三电平拓扑下的DITC策略对电机转矩脉动进行抑制，纵观全文，本文主要在以下几个方面取得了阶段性的成果。
1、针对电动自行车的应用特点，本文结合驱动方式、动力学特性、功率变换器、回馈制动运行、控制方式等方面，给出了电动自行车驱动系统总体方案设计。并且在SIMULINK中搭建了系统仿真模型，证实了方案的合理性。
2、针对SRM转矩脉动大的问题，本文分析了三电平拓扑下的DITC策略。通过合理的设置转矩偏差给定值，DITC可以有效地抑制转矩脉动；通过函数解析式拟合部分特殊位置磁链模型，从而得到所有位置的磁链方程，估算电机瞬时转矩。最后在SIMULINK搭建仿真模型进行验证，证实了基于三电平拓扑下的DITC能够有效地抑制转矩脉动，并给出了不同转矩偏差给定值时的转矩脉动波形图。
3、根据以上理论分析，以额定功率250W、额定电压为48V的SRM为控制对象，以STM32F103为控制核心对电动自行车控制器进行硬件和软件的设计。在硬件和软件的设计过程中，充分的考虑了硬件和主控核心的关系，既最大程度简化主控芯片外围电路的同时，又考虑到主控芯片处理数据的实时性。电路设计过程中兼顾成本和效率，做到降低成本的同时保证系统的安全可靠性，通过和软件的联调，取得了不错的效果。
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参考文献（略）