【摘要】 當前,電動自行車廣泛采用永磁電機,但是其爬坡能力差、永磁材料匱乏等問題限制了電動自行車持續(xù)、健康發(fā)展。而結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor;SRM)具有高啟動轉(zhuǎn)矩和低啟動電流,在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)仍能達到較高的效率,非常適用于頻繁啟停的電動自行車。因此,本文以電動自行車用三相6/4極SRM為控制對象,對控制器進行設(shè)計。本文首先分析SRM的基本原理,并結(jié)合電動自行車的特點,對電動自行車用SRM控制系統(tǒng)進行總體方案設(shè)計。同時在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型,仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)方案的合理性、可行性；為了克服SRM轉(zhuǎn)矩脈動大的缺點,本文采用了基于三電平拓撲下的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制(Direct Instantaneous Torque Control;DITC)策略。重點介紹轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器的工作原理,通過轉(zhuǎn)矩偏差與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)限寬相比較,得到電機各相繞組的電壓狀態(tài),實現(xiàn)各相繞組的開通與關(guān)斷,從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動。仿真結(jié)果表明,轉(zhuǎn)矩脈動被嚴格限制在給定范圍內(nèi),和直接轉(zhuǎn)矩控制相比,DITC有效地抑制了SRM的轉(zhuǎn)矩脈動。根據(jù)電動自行車用SRM控制系統(tǒng)的特點,本文以250W三相6/4極SRM為控制對象,以STM32F103為控制核心,設(shè)計了電動自行車用SRM控制器,硬件電路主要包括MOSFET驅(qū)動電路、功率變換器電路、穩(wěn)壓電源電路、位置檢測電路；軟件部分包括主程序、電動或回饋制動運行子程序、轉(zhuǎn)速測量子程序等。從搭建的實驗平臺測試結(jié)果看,證實了本文設(shè)計的正確性。最后討論了搭建的實驗平臺及所取得的結(jié)果,分析了系統(tǒng)設(shè)計中存在的不足,并提出了下一步的工作目標。 

第一章緒論

1.1課題研究背景與意義
根據(jù)國家能源研究會2012年發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國的化石能源消費總量排在全球第二位，僅次于美國。從公布的數(shù)據(jù)中可以總結(jié)出，2011年全年我國能源消費總量比上一年增加7%，達到了驚人的34.78億噸標準煤。截止到2012年底，我國初次能源消費比上一年增長了 4%,達到了約36.2億噸標準煤。報告還提到，我國是一個嚴重依賴石油進口的國家，依賴度達到了 56.6%,并且這種對外依賴度有繼續(xù)提高的趨勢[1]。消耗如此大量的能源必然會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境問題，2013年，中國中東部以及華北地區(qū)籠罩在霧霾的厚重面紗之下，污染地區(qū)之廣讓全世界震驚，首都重污染天數(shù)超過了過去半個世紀中的任何一年。2014年1月，北京的空氣污染指數(shù)曾經(jīng)達到755這一嚴重污染的水平，居然比WHO歸定的“危險”標準高出一倍還多，而如此嚴重的污染很大程度上是來自于燃煤發(fā)電和機動車尾氣，這己經(jīng)引起了中國領(lǐng)導人和全體國民的重視[2]。全球環(huán)境的不斷變遷以及社會現(xiàn)代化建設(shè)的不斷完善改變了人們的出行方式。截止到2013年底，在交通管理部門注冊登記的機動車已經(jīng)突破了 25000萬輛，其中汽車占到了總量的54.8%，平均每5?6人就擁有一輛機動車，具有機動車駕照的人接近28000萬，十年時間提高了 29.9%[3]。汽車市場的持續(xù)繁榮不僅產(chǎn)生了大量的汽車尾氣，同時還引起了城市交通擁堵，已經(jīng)成為阻礙我國城市發(fā)展的重要因素。各地政府面對交通擁堵、空氣污染等問題采取了各種各樣的措施加以解決，比如，北京：調(diào)控小汽車數(shù)量、調(diào)整停車費、限制外地人購車、購車上牌需搖號等待、外地車上路限時；天津：對汽車牌照數(shù)量進行嚴格控制、重污染天氣實施汽車單雙號限行；上海：采取被公眾喻為“最貴鐵皮”的車牌“拍賣制”；廣州：“半搖號、半拍賣”制度，封存一部分公務用車。但上述措施均治標不治本，治污、治堵效果不理想，以北京為例，2012年周一到周五每天平均堵車時間為1.5小時，而到了 2013年這個平均時間接近2小時。
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1.2 SRM的概況與研究動態(tài)
磁阻式電動機最早出現(xiàn)在1842年，當時英國的Aberdeen和Davidson在制造電動車時采用U型電磁鐵，其實現(xiàn)原理和現(xiàn)在的SRM運行狀況非常類似。但由于當時功率電子開關(guān)及其相關(guān)的一系列技術(shù)還沒有問世，于是采用了當時普遍使用的機械開關(guān)控制技術(shù)，致使電機靜態(tài)和動態(tài)性能、安全性非常差，所以當時沒有得到很好地發(fā)展和推廣。1969年以后，隨著大功率晶間管的廣泛使用和電力電子技術(shù)發(fā)展，SRM進入了一個快速發(fā)展的階段。1970年，首臺SRM樣機在英國Leeds大學步進電機實驗室研發(fā)成功。1980年，Lawrenson等人對SRM的運行原理和特性進行了深入地分析，至此SRM在電機行業(yè)內(nèi)得到了認可。1983年，英國公司SRD.Ltd推出了世界上第一套命名為OULTON的幵關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品，1984年，SRD丄td公司推出了適用于有軌電車的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)，并且取得了優(yōu)異的成績，這極大地刺激了各國競相研究SRM的熱情，包括美國、南斯拉夫等國，并取得了一系列成果。在SRM的研究過程中雖然我國起步比較晚，但是研究的起點相對較高。從1984年起，我國的許多大學以及科研機構(gòu)等相繼開展了 SRM的研發(fā)工作，在吸收國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國各科研機構(gòu)在SRM方面的進展很快，在控制系統(tǒng)、仿真、設(shè)計理論、電磁場分析等方面做了大量工作。經(jīng)過科研人員二十年努力，目前已經(jīng)研制出功率從10W到5MW的工業(yè)產(chǎn)品樣機，將其用于頻繁起停、制動和正反轉(zhuǎn)的機械，如電動車驅(qū)動、洗衣機、紡織以及采油機械等各個領(lǐng)域。
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第二章電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 SRM基本理論
不論是結(jié)構(gòu)還是工作原理，SRM都與傳統(tǒng)電機有著很大的不同。具有雙凸極結(jié)構(gòu)的SRM，定、轉(zhuǎn)子不需要永磁材料，由桂鋼片制造而成，和電機轉(zhuǎn)子不同的是定子上纏有繞組。SRM的定、轉(zhuǎn)子數(shù)目是不相同的，定子上徑向繞組通過串聯(lián)成為一相，目前有單相、兩相、三相、四相、五相以上SRM，單相由于啟動問題或者存在轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”，實現(xiàn)起來比較困難；兩相電機在平衡位置、非平衡位置也同樣存在轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”，無自啟動能力，所以單相和兩相SRM應用較少。要想在電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)情況下都具備自啟動能力的SRM相數(shù)至少為三相，其中又以三相6/4極最為常見。通常情況，相數(shù)較多的電機運行特性較優(yōu)越，但是相數(shù)多導致成本增加、控制復三相6/4極SRM結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。SRM運行原理遵循“磁阻最小原理”。當SRM定、轉(zhuǎn)子處于對齊位置時，磁阻最小，相繞組電感最大；當定、轉(zhuǎn)子不處于對齊位置時，此時通電，電機磁場會產(chǎn)生沿切線方向的電磁轉(zhuǎn)矩，迫使定、轉(zhuǎn)子凸極中心線重合。如圖2-1所示為三相6/4極SRM,其中Us為直流電源，VTK VT2為主開關(guān)器件，VD1、VD2為電機續(xù)流時提供通路的二極管。下面對A相繞組進行說明，此時開通VT1、VT2，繞組建立以A-A，為軸向的磁場，轉(zhuǎn)子a-a’會產(chǎn)生沿切線的電磁力，迫使其向中心線A-A’靠近，當定、轉(zhuǎn)子A-A’和a-a’中心線重合時，A相關(guān)斷，此時導通B相，轉(zhuǎn)子b-b’會產(chǎn)生沿切線的電磁力，迫使其向B-B’中心線靠近，當定、轉(zhuǎn)子B-B’和b-b’中心線重合時，B相關(guān)斷，之后依次開通C、A相，電機沿逆時針運轉(zhuǎn)起來;如果依次開通B-A-C-B相，電機順時針運轉(zhuǎn)[19]。由此可以推斷，相開通次序決定了電機是正向還是反向運轉(zhuǎn)，而無關(guān)電流的流向。
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2.2總體方案設(shè)計
電動自行車用SRM控制系統(tǒng)主要包括SRM本體、穩(wěn)壓電源、功率變換器、MOSFET驅(qū)動、欠壓檢測、電流檢測、位置檢測、控制核心、負載等部分組成，其控制系統(tǒng)如圖2-2所示。SRM作為控制的對象，起到能量轉(zhuǎn)換的作用，即電能向機械能轉(zhuǎn)換；功率變換器根據(jù)各相導通信號確定各MOSFET的通斷，從而進行電能的傳遞；位置檢測、電壓、電流檢測記錄了電機的運行狀態(tài)，并為電機下一時刻的正常運行提供依據(jù)：位置信號是SRM得以連續(xù)運轉(zhuǎn)的必要參數(shù)，決定了下一時刻電機的導通相；電流、欠壓檢測信號則用來進行過流、欠壓保護；控制電路作為整個驅(qū)動系統(tǒng)的控制中樞，根據(jù)檢測信號發(fā)送相應的指令，以確保整個驅(qū)動系統(tǒng)安全可靠的運行。輪轂式驅(qū)動和中軸式驅(qū)動是目前廣泛應用在電動自行車上的兩種驅(qū)動方式，其中輪轂式驅(qū)動電機又包括高速和低速電機。由于噪聲小、價格低廉、制造簡單等因數(shù)，低速輪轂電機在較長的一段時期內(nèi)比較受歡迎，但是由于其輸出特性軟、啟動轉(zhuǎn)矩小、爬坡和過載能力較弱，同時在斷電后腳踏騎行電磁阻力較大。因此，低速輪轂電機的市場份額日趨減小；而高速輪轂電機由于結(jié)構(gòu)復雜，特別適合較大功率大轉(zhuǎn)矩場合，如電動汽車。
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第三章SRM轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法的研究........ 21
3.1 DITC原理及系統(tǒng)組成........ 21
3.2磁鏈非線性模型........  24
3.3基于DITC的SRM控制系統(tǒng)的建模與仿真........  26
3.4仿真結(jié)果分析........  27
3.5本章小結(jié)........  29
第四章電動自行車用SRM控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計........  30
4.1硬件電路總體設(shè)計........  30
4.2控制器硬件電路設(shè)計........  31
4.3硬件可靠性設(shè)計........  39
4.4本章小結(jié) ........ 40
第五章電動自行車用SRM控制系統(tǒng)軟件設(shè)計........  41
5.1總、體設(shè)計........  41
5.2系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計........  49
5.3本章小結(jié)........  49

第六章實驗結(jié)果分析

6.1實驗平臺介紹
本文根據(jù)以上理論建立了驅(qū)動系統(tǒng)軟硬件實驗平臺，分別在空載和加載情況下對系統(tǒng)軟硬件進行驗證，為電動自行車用SRM的市場化應用提供必要地理論依據(jù)。由于實驗條件有限，本文所介紹的DITC只是通過仿真驗證了其可靠性、優(yōu)越性�，F(xiàn)以額定電壓24V，額定功率40W，三相6/4極SRM為實驗對象對系統(tǒng)方案部分設(shè)計指標進行驗證。部分硬件實驗平臺如圖6-1所示，主要包括直流穩(wěn)壓電源、SRM電機本體、SRM驅(qū)動控制器、示波器等，表6.1為實驗過程中所需要的設(shè)備。控制核心STM32F103采用的軟件開發(fā)平臺為Keil uVision4, 2011年3月ARM公司在其集成幵發(fā)環(huán)境RealView MDK產(chǎn)品中添加了最新版本的Keil uVision4。KeiluVision4帶有靈活的窗口管理系統(tǒng)，能夠任意拖放視圖內(nèi)的窗口，同時還有調(diào)試還原、項目工作區(qū)多等功能。良好的用戶界面旨在提高軟件開發(fā)人員的生產(chǎn)力，使軟件開發(fā)人員更快、更有效、更輕松的幵發(fā)軟件程序，在工作中感受編程的樂趣，同時還有重要的一點就是Keil uVision4支持更多最新的ARM芯片�；�于Keil uVision4的電動自行車用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)部分程序如圖6-2所示。

結(jié)論

本文以250W三相6/4極SRM為控制對象，并結(jié)合電動自行車的應用特點，設(shè)計了基于SRM的電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)。本文在系統(tǒng)方案設(shè)計、硬件電路的設(shè)計、器件選型等做了比較深入的研究，針對SRM轉(zhuǎn)矩脈動大限制其應用的問題，本文采用三電平拓撲下的DITC策略對電機轉(zhuǎn)矩脈動進行抑制，縱觀全文，本文主要在以下幾個方面取得了階段性的成果。
1、針對電動自行車的應用特點，本文結(jié)合驅(qū)動方式、動力學特性、功率變換器、回饋制動運行、控制方式等方面，給出了電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)總體方案設(shè)計。并且在SIMULINK中搭建了系統(tǒng)仿真模型，證實了方案的合理性。
2、針對SRM轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，本文分析了三電平拓撲下的DITC策略。通過合理的設(shè)置轉(zhuǎn)矩偏差給定值，DITC可以有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動；通過函數(shù)解析式擬合部分特殊位置磁鏈模型，從而得到所有位置的磁鏈方程，估算電機瞬時轉(zhuǎn)矩。最后在SIMULINK搭建仿真模型進行驗證，證實了基于三電平拓撲下的DITC能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動，并給出了不同轉(zhuǎn)矩偏差給定值時的轉(zhuǎn)矩脈動波形圖。
3、根據(jù)以上理論分析，以額定功率250W、額定電壓為48V的SRM為控制對象，以STM32F103為控制核心對電動自行車控制器進行硬件和軟件的設(shè)計。在硬件和軟件的設(shè)計過程中，充分的考慮了硬件和主控核心的關(guān)系，既最大程度簡化主控芯片外圍電路的同時，又考慮到主控芯片處理數(shù)據(jù)的實時性。電路設(shè)計過程中兼顧成本和效率，做到降低成本的同時保證系統(tǒng)的安全可靠性，通過和軟件的聯(lián)調(diào)，取得了不錯的效果。
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參考文獻（略）