Atmega16在開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統中的應用

　　摘要：針對開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的設計要求，提出了以Atmega16作為CPU，并利用該單片機硬件和軟件上的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高系統處理速度,簡(jiǎn)化外圍電路和提高性?xún)r(jià)比的設計方法。

    關(guān)鍵詞：電機調速；開(kāi)關(guān)磁阻電機；標準單脈沖數；Atmega16

1 引言

　　目前，隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日趨嚴峻。為此，國家科技部啟動(dòng)了“863電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項”，而開(kāi)關(guān)磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱(chēng)SRM）以其啟動(dòng)轉矩大、調速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被作為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的理想驅動(dòng)電機之一。開(kāi)關(guān)磁阻電機是一種必須在控制器協(xié)調控制下才能運轉起來(lái)的電機，因而控制器性能的好壞直接影響電機的運轉性能。以往控制系統所采用的CPU主要有三種類(lèi)型：一是采用51系列8位單片機，這種處理器處理速度相對緩慢，功能簡(jiǎn)單，外圍電路比較復雜。二是采用196系列16位單片機，這種處理器處理速度比較快，但由于內部外設模塊不夠豐富，因而外圍電路仍相對復雜。三是采用240系列DSP，這種處理器處理速度快，內部外設模塊豐富，但芯片價(jià)格昂貴，所以不能得到較廣泛的應用。本文選用Atmel公司出品的Atmega16作為CPU來(lái)控制開(kāi)關(guān)磁阻電機，大大提高了性?xún)r(jià)比。

2 AVR系列單片機

　　AVR單片機是目前最新的單片機系列之一，具有速度高、片內硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可作為真正意義上的單片機使用。它的最大特點(diǎn)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。該系列單片機采用現代微處理器流水管線(xiàn)預取指令技術(shù)，淘汰了機器周期的概念。它以時(shí)鐘周期為指令執行的基本時(shí)間單位，每個(gè)時(shí)鐘周期可執行一條指令。時(shí)鐘頻率通常采用4MHz～8MHz，故最短的指令執行時(shí)間為250ns～25ns。在12MHz頻率下，指令的吞吐量為12MIPS，這是一般MCS-51單片機速度的12倍。AVR系列片內含有模擬比較器，與輸入捕捉功能配合可進(jìn)行多種模擬控制和轉換。它借鑒了某些機型的高速輸入輸出HSIO和可編程計數陣列PCA的概念，實(shí)現了本身的輸入捕捉、輸出比較和脈沖寬度調制輸出功能，從而成為脈沖信號測量、開(kāi)關(guān)量按時(shí)控制及某些直流馬達調速的得力工具。在軟件開(kāi)發(fā)方面，AVR單片機內含容量不等的閃速程序存儲器（Flash Memory,簡(jiǎn)稱(chēng)Flash），可反復擦寫(xiě)至少1000次，極大地方便了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和軟件修改。Flash存儲器中的程序可由PC機串行下載，亦可在通用寫(xiě)入器上以并行方式寫(xiě)入。

3 開(kāi)關(guān)磁阻電機工作原理

　　所謂磁阻電機是指電機各磁路的磁阻隨轉子位置而改變，因而電機的磁場(chǎng)能量也將隨轉子位置的變化而變化，并將磁能變換成機械能。這種結構與步進(jìn)電動(dòng)機相似，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的運行亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著(zhù)磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線(xiàn)與磁場(chǎng)的主軸線(xiàn)重合。圖1為四相開(kāi)關(guān)磁阻電機結構圖，當定子D-D‘極勵磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力會(huì )力圖使轉子旋轉到轉子極軸線(xiàn)1-1’與定子極軸線(xiàn)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，轉子會(huì )逆著(zhù)勵磁順序以逆時(shí)針?lè )较蜻B續旋轉；反之，若依次給B-A-D-C相通電，則轉子會(huì )沿順時(shí)針?lè )绞睫D動(dòng)?？梢?jiàn)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的轉向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。

4 系統設計要求及結構實(shí)現

　　對于額定功率為0.75kW、轉速為50～2000r.p.m的8/6極SRM，在低速時(shí)可采用PWM方式來(lái)控制，而在高速時(shí)則應采用單脈沖控制。電機轉子每轉過(guò)15