【摘要】 當(dāng)前,電動(dòng)自行車廣泛采用永磁電機(jī),但是其爬坡能力差、永磁材料匱乏等問題限制了電動(dòng)自行車持續(xù)、健康發(fā)展。而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠的開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor;SRM)具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低啟動(dòng)電流,在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)仍能達(dá)到較高的效率,非常適用于頻繁啟停的電動(dòng)自行車。因此,本文以電動(dòng)自行車用三相6/4極SRM為控制對(duì)象,對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文首先分析SRM的基本原理,并結(jié)合電動(dòng)自行車的特點(diǎn),對(duì)電動(dòng)自行車用SRM控制系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。同時(shí)在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型,仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的合理性、可行性；為了克服SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn),本文采用了基于三電平拓?fù)湎碌闹苯铀矔r(shí)轉(zhuǎn)矩控制(Direct Instantaneous Torque Control;DITC)策略。重點(diǎn)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(jī)各相繞組的電壓狀態(tài),實(shí)現(xiàn)各相繞組的開通與關(guān)斷,從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。仿真結(jié)果表明,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)被嚴(yán)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(dòng)。根據(jù)電動(dòng)自行車用SRM控制系統(tǒng)的特點(diǎn),本文以250W三相6/4極SRM為控制對(duì)象,以STM32F103為控制核心,設(shè)計(jì)了電動(dòng)自行車用SRM控制器,硬件電路主要包括MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、功率變換器電路、穩(wěn)壓電源電路、位置檢測(cè)電路；軟件部分包括主程序、電動(dòng)或回饋制動(dòng)運(yùn)行子程序、轉(zhuǎn)速測(cè)量子程序等。從搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試結(jié)果看,證實(shí)了本文設(shè)計(jì)的正確性。最后討論了搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及所取得的結(jié)果,分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足,并提出了下一步的工作目標(biāo)。 

第一章緒論

1.1課題研究背景與意義
根據(jù)國(guó)家能源研究會(huì)2012年發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)的化石能源消費(fèi)總量排在全球第二位，僅次于美國(guó)。從公布的數(shù)據(jù)中可以總結(jié)出，2011年全年我國(guó)能源消費(fèi)總量比上一年增加7%，達(dá)到了驚人的34.78億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。截止到2012年底，我國(guó)初次能源消費(fèi)比上一年增長(zhǎng)了 4%,達(dá)到了約36.2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。報(bào)告還提到，我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重依賴石油進(jìn)口的國(guó)家，依賴度達(dá)到了 56.6%,并且這種對(duì)外依賴度有繼續(xù)提高的趨勢(shì)[1]。消耗如此大量的能源必然會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題，2013年，中國(guó)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(gè)世紀(jì)中的任何一年。2014年1月，北京的空氣污染指數(shù)曾經(jīng)達(dá)到755這一嚴(yán)重污染的水平，居然比WHO歸定的“危險(xiǎn)”標(biāo)準(zhǔn)高出一倍還多，而如此嚴(yán)重的污染很大程度上是來自于燃煤發(fā)電和機(jī)動(dòng)車尾氣，這己經(jīng)引起了中國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人和全體國(guó)民的重視[2]。全球環(huán)境的不斷變遷以及社會(huì)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(cè)登記的機(jī)動(dòng)車已經(jīng)突破了 25000萬(wàn)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(jī)動(dòng)車，具有機(jī)動(dòng)車駕照的人接近28000萬(wàn)，十年時(shí)間提高了 29.9%[3]。汽車市場(chǎng)的持續(xù)繁榮不僅產(chǎn)生了大量的汽車尾氣，同時(shí)還引起了城市交通擁堵，已經(jīng)成為阻礙我國(guó)城市發(fā)展的重要因素。各地政府面對(duì)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(fèi)、限制外地人購(gòu)車、購(gòu)車上牌需搖號(hào)等待、外地車上路限時(shí)；天津：對(duì)汽車牌照數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格控制、重污染天氣實(shí)施汽車單雙號(hào)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(hào)、半拍賣”制度，封存一部分公務(wù)用車。但上述措施均治標(biāo)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(shí)間為1.5小時(shí)，而到了 2013年這個(gè)平均時(shí)間接近2小時(shí)。
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1.2 SRM的概況與研究動(dòng)態(tài)
磁阻式電動(dòng)機(jī)最早出現(xiàn)在1842年，當(dāng)時(shí)英國(guó)的Aberdeen和Davidson在制造電動(dòng)車時(shí)采用U型電磁鐵，其實(shí)現(xiàn)原理和現(xiàn)在的SRM運(yùn)行狀況非常類似。但由于當(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)普遍使用的機(jī)械開關(guān)控制技術(shù)，致使電機(jī)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能、安全性非常差，所以當(dāng)時(shí)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(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段。1970年，首臺(tái)SRM樣機(jī)在英國(guó)Leeds大學(xué)步進(jìn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功。1980年，Lawrenson等人對(duì)SRM的運(yùn)行原理和特性進(jìn)行了深入地分析，至此SRM在電機(jī)行業(yè)內(nèi)得到了認(rèn)可。1983年，英國(guó)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且取得了優(yōu)異的成績(jī)，這極大地刺激了各國(guó)競(jìng)相研究SRM的熱情，包括美國(guó)、南斯拉夫等國(guó)，并取得了一系列成果。在SRM的研究過程中雖然我國(guó)起步比較晚，但是研究的起點(diǎn)相對(duì)較高。從1984年起，我國(guó)的許多大學(xué)以及科研機(jī)構(gòu)等相繼開展了 SRM的研發(fā)工作，在吸收國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)各科研機(jī)構(gòu)在SRM方面的進(jìn)展很快，在控制系統(tǒng)、仿真、設(shè)計(jì)理論、電磁場(chǎng)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(jī)，將其用于頻繁起停、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)的機(jī)械，如電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)、洗衣機(jī)、紡織以及采油機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。
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第二章電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(jī)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(jī)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(dòng)問題或者存在轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”，實(shí)現(xiàn)起來比較困難；兩相電機(jī)在平衡位置、非平衡位置也同樣存在轉(zhuǎn)矩“死區(qū)”，無(wú)自啟動(dòng)能力，所以單相和兩相SRM應(yīng)用較少。要想在電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)情況下都具備自啟動(dòng)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(jī)運(yùn)行特性較優(yōu)越，但是相數(shù)多導(dǎo)致成本增加、控制復(fù)三相6/4極SRM結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。SRM運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”。當(dāng)SRM定、轉(zhuǎn)子處于對(duì)齊位置時(shí)，磁阻最小，相繞組電感最大；當(dāng)定、轉(zhuǎn)子不處于對(duì)齊位置時(shí)，此時(shí)通電，電機(jī)磁場(chǎng)會(huì)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(jī)續(xù)流時(shí)提供通路的二極管。下面對(duì)A相繞組進(jìn)行說明，此時(shí)開通VT1、VT2，繞組建立以A-A，為軸向的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子a-a’會(huì)產(chǎn)生沿切線的電磁力，迫使其向中心線A-A’靠近，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子A-A’和a-a’中心線重合時(shí)，A相關(guān)斷，此時(shí)導(dǎo)通B相，轉(zhuǎn)子b-b’會(huì)產(chǎn)生沿切線的電磁力，迫使其向B-B’中心線靠近，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子B-B’和b-b’中心線重合時(shí)，B相關(guān)斷，之后依次開通C、A相，電機(jī)沿逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)起來;如果依次開通B-A-C-B相，電機(jī)順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)[19]。由此可以推斷，相開通次序決定了電機(jī)是正向還是反向運(yùn)轉(zhuǎn)，而無(wú)關(guān)電流的流向。
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2.2總體方案設(shè)計(jì)
電動(dòng)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(dòng)、欠壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、位置檢測(cè)、控制核心、負(fù)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(duì)象，起到能量轉(zhuǎn)換的作用，即電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換；功率變換器根據(jù)各相導(dǎo)通信號(hào)確定各MOSFET的通斷，從而進(jìn)行電能的傳遞；位置檢測(cè)、電壓、電流檢測(cè)記錄了電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并為電機(jī)下一時(shí)刻的正常運(yùn)行提供依據(jù)：位置信號(hào)是SRM得以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的必要參數(shù)，決定了下一時(shí)刻電機(jī)的導(dǎo)通相；電流、欠壓檢測(cè)信號(hào)則用來進(jìn)行過流、欠壓保護(hù)；控制電路作為整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制中樞，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)發(fā)送相應(yīng)的指令，以確保整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。輪轂式驅(qū)動(dòng)和中軸式驅(qū)動(dòng)是目前廣泛應(yīng)用在電動(dòng)自行車上的兩種驅(qū)動(dòng)方式，其中輪轂式驅(qū)動(dòng)電機(jī)又包括高速和低速電機(jī)。由于噪聲小、價(jià)格低廉、制造簡(jiǎn)單等因數(shù)，低速輪轂電機(jī)在較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)比較受歡迎，但是由于其輸出特性軟、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、爬坡和過載能力較弱，同時(shí)在斷電后腳踏騎行電磁阻力較大。因此，低速輪轂電機(jī)的市場(chǎng)份額日趨減�。欢�高速輪轂電機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別適合較大功率大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車。
………….

第三章SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)自行車用SRM控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)........  30
4.1硬件電路總體設(shè)計(jì)........  30
4.2控制器硬件電路設(shè)計(jì)........  31
4.3硬件可靠性設(shè)計(jì)........  39
4.4本章小結(jié) ........ 40
第五章電動(dòng)自行車用SRM控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)........  41
5.1總、體設(shè)計(jì)........  41
5.2系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計(jì)........  49
5.3本章小結(jié)........  49

第六章實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

6.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹
本文根據(jù)以上理論建立了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別在空載和加載情況下對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行驗(yàn)證，為電動(dòng)自行車用SRM的市場(chǎng)化應(yīng)用提供必要地理論依據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，本文所介紹的DITC只是通過仿真驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)系統(tǒng)方案部分設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。部分硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6-1所示，主要包括直流穩(wěn)壓電源、SRM電機(jī)本體、SRM驅(qū)動(dòng)控制器、示波器等，表6.1為實(shí)驗(yàn)過程中所需要的設(shè)備�？刂坪诵腟TM32F103采用的軟件開發(fā)平臺(tái)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(shí)還有調(diào)試還原、項(xiàng)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(shí)還有重要的一點(diǎn)就是Keil uVision4支持更多最新的ARM芯片�；�于Keil uVision4的電動(dòng)自行車用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)象，并結(jié)合電動(dòng)自行車的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于SRM的電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件電路的設(shè)計(jì)、器件選型等做了比較深入的研究，針對(duì)SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大限制其應(yīng)用的問題，本文采用三電平拓?fù)湎碌腄ITC策略對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行抑制，縱觀全文，本文主要在以下幾個(gè)方面取得了階段性的成果。
1、針對(duì)電動(dòng)自行車的應(yīng)用特點(diǎn)，本文結(jié)合驅(qū)動(dòng)方式、動(dòng)力學(xué)特性、功率變換器、回饋制動(dòng)運(yùn)行、控制方式等方面，給出了電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。并且在SIMULINK中搭建了系統(tǒng)仿真模型，證實(shí)了方案的合理性。
2、針對(duì)SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問題，本文分析了三電平拓?fù)湎碌腄ITC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(dòng)；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(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。最后在SIMULINK搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了基于三電平拓?fù)湎碌腄ITC能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并給出了不同轉(zhuǎn)矩偏差給定值時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(duì)象，以STM32F103為控制核心對(duì)電動(dòng)自行車控制器進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)。在硬件和軟件的設(shè)計(jì)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(jiǎn)化主控芯片外圍電路的同時(shí)，又考慮到主控芯片處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。電路設(shè)計(jì)過程中兼顧成本和效率，做到降低成本的同時(shí)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(cuò)的效果。
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參考文獻(xiàn)（略）