Atmega16在開關磁阻電機調速系統(tǒng)中的應用

　　摘要：針對開關磁阻電機調速系統(tǒng)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)點來提高系統(tǒng)處理速度,簡化外圍電路和提高性價比的設計方法。

    關鍵詞：電機調速；開關磁阻電機；標準單脈沖數(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峻。為此，國家科技部啟動了“863電動汽車重大專項”，而開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）以其啟動轉矩大、調速范圍寬等優(yōu)點被作為未來電動汽車的理想驅動電機之一。開關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(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，這種處理器處理速度相對緩慢，功能簡單，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來控制開關磁阻電機，大大提高了性價比。

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，可作為真正意義上的單片機使用。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。該系列單片機采用現(xiàn)代微處理器流水管線預取指令技術，淘汰了機器周期的概念。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(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制輸出功能，從而成為脈沖信號測量、開關量按時控制及某些直流馬達調速的得力工具。在軟件開發(fā)方面，AVR單片機內含容量不等的閃速程序存儲器（Flash Memory,簡稱Flash），可反復擦寫至少1000次，極大地方便了產品開發(fā)和軟件修改。Flash存儲器中的程序可由PC機串行下載，亦可在通用寫入器上以并行方式寫入。

3 開關磁阻電機工作原理

　　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。這種結構與步進電動機相似，開關磁阻電動機的運行亦遵循“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為四相開關磁阻電機結構圖，當定子D-D‘極勵磁時，所產生的磁力會力圖使轉子旋轉到轉子極軸線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，轉子會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉；反之，若依次給B-A-D-C相通電，則轉子會沿順時針方式轉動?？梢?，開關磁阻電動機的轉向與相繞組的電流方向無關，而僅取決于相繞組通電的順序。

4 系統(tǒng)設計要求及結構實現(xiàn)

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