摘要：針對開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計要求，提出了以Atmega16作為CPU，并利用該單片機(jī)硬件和軟件上的優(yōu)點來提高系統(tǒng)處理速度,簡化外圍電路和提高性價比的設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：電機(jī)調(diào)速；開關(guān)磁阻電機(jī)；標(biāo)準(zhǔn)單脈沖數(shù)；Atmega16
1 引言
目前，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，能源短缺問題日趨嚴(yán)峻。為此，國家科技部啟動了“863電動汽車重大專項”，而開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）以其啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點被作為未來電動汽車的理想驅(qū)動電機(jī)之一。開關(guān)磁阻電機(jī)是一種必須在控制器協(xié)調(diào)控制下才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來的電機(jī)，因而控制器性能的好壞直接影響電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。以往控制系統(tǒng)所采用的CPU主要有三種類型：一是采用51系列8位單片機(jī)，這種處理器處理速度相對緩慢，功能簡單，外圍電路比較復(fù)雜。二是采用196系列16位單片機(jī)，這種處理器處理速度比較快，但由于內(nèi)部外設(shè)模塊不夠豐富，因而外圍電路仍相對復(fù)雜。三是采用240系列DSP，這種處理器處理速度快，內(nèi)部外設(shè)模塊豐富，但芯片價格昂貴，所以不能得到較廣泛的應(yīng)用。本文選用Atmel公司出品的 Atmega16作為CPU來控制開關(guān)磁阻電機(jī)，大大提高了性價比。
2 AVR系列單片機(jī)
AVR 單片機(jī)是目前最新的單片機(jī)系列之一，具有速度高、片內(nèi)硬件資源豐富等優(yōu)點，可作為真正意義上的單片機(jī)使用。它的最大特點是低功耗和高速度，其掉電方式、閑置方式至工作方式下的耗電約為1μA～2.5μA。該系列單片機(jī)采用現(xiàn)代微處理器流水管線預(yù)取指令技術(shù)，淘汰了機(jī)器周期的概念。它以時鐘周期為指令執(zhí)行的基本時間單位，每個時鐘周期可執(zhí)行一條指令。時鐘頻率通常采用4MHz～8MHz，故最短的指令執(zhí)行時間為250ns～25ns。在12MHz頻率下，指令的吞吐量為12MIPS，這是一般MCS-51單片機(jī)速度的12倍。AVR系列片內(nèi)含有模擬比較器，與輸入捕捉功能配合可進(jìn)行多種模擬控制和轉(zhuǎn)換。它借鑒了某些機(jī)型的高速輸入輸出HSIO和可編程計數(shù)陣列PCA的概念，實現(xiàn)了本身的輸入捕捉、輸出比較和脈沖寬度調(diào)制輸出功能，從而成為脈沖信號測量、開關(guān)量按時控制及某些直流馬達(dá)調(diào)速的得力工具。在軟件開發(fā)方面，AVR單片機(jī)內(nèi)含容量不等的閃速程序存儲器（Flash Memory,簡稱Flash），可反復(fù)擦寫至少1000次，極大地方便了產(chǎn)品開發(fā)和軟件修改。Flash存儲器中的程序可由PC機(jī)串行下載，亦可在通用寫入器上以并行方式寫入。
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3 開關(guān)磁阻電機(jī)工作原理
所謂磁阻電機(jī)是指電機(jī)各磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置而改變，因而電機(jī)的磁場能量也將隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并將磁能變換成機(jī)械能。這種結(jié)構(gòu)與步進(jìn)電動機(jī)相似，開關(guān)磁阻電動機(jī)的運(yùn)行亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的主軸線重合。圖1為四相開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)定子D-D‘極勵磁時，所產(chǎn)生的磁力會力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線1-1’與定子極軸線D-D’重合的位置，并使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖1中定、轉(zhuǎn)子所對的位置作為起始位置，然后依次給D-A-B-C相繞組通電，轉(zhuǎn)子會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給B-A-D-C相通電，則轉(zhuǎn)子會沿順時針方式轉(zhuǎn)動�？梢�，開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。
4 系統(tǒng)設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)實現(xiàn)
對于額定功率為0.75kW、轉(zhuǎn)速為50～2000r.p.m的8/6極SRM，在低速時可采用PWM方式來控制，而在高速時則應(yīng)采用單脈沖控制。電機(jī)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過15°，位置傳感器PIA和PIB會發(fā)生變化并產(chǎn)生一次相中斷，之后MSP430依據(jù)外部操作要求（如正傳或反轉(zhuǎn)）及當(dāng)前狀態(tài)來決定下一次輸出狀態(tài)并送給數(shù)字比較器，當(dāng)與下一次中斷信號一致時，它會向CPU發(fā)送一次中斷，并輸出相信號給邏輯電路，最后驅(qū)動電動機(jī)。同時依據(jù)此中斷信號計算轉(zhuǎn)速，以作為高速單脈沖工作狀態(tài)的參考點（對于高速單脈沖，由于在高速時沒有足夠時間精確計算開關(guān)角的大小，因而本設(shè)計采取每相固定導(dǎo)通30°的控制方式，其實現(xiàn)方法待后詳述）。
當(dāng)轉(zhuǎn)速給定后，即可采用調(diào)節(jié)電位器輸出模擬量送給Atmega16的A/D模塊。系統(tǒng)中的LED用于顯示轉(zhuǎn)換速等信息，鍵盤用于設(shè)定各參量（如方向等）。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
4.1 PWM控制
AVR 的T/C1除具有定時、計數(shù)、輸入捕捉和輸出比較功能外，還可構(gòu)成兩個脈沖寬度調(diào)制PWM輸出通道。由于經(jīng)緩沖的PWM輸出可驅(qū)動電機(jī)，且其轉(zhuǎn)速正比于 OCR1A或OCR1B寄存器的內(nèi)容。因此，可以利用OCR1A輸出PWM波，再將該信號與各路相輸出信號相與后輸出，從而實現(xiàn)控制各路相信號以及低速調(diào)速之目的。
