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1 引言
目前，隨著汽車工業的發展，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行的基本時間單位，每個時鐘周期可執行一條指令。時鐘頻率通常采用4MHz～8MHz，故最短的指令執行時間為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和可編程計數陣列PCA的概念，實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。可見，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 系統設計要求及結構實現
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°，位置傳感器PIA和PIB會發生變化并產生一次相中斷，之后MSP430依據外部操作要求（如正傳或反轉）及當前狀態來決定下一次輸出狀態并送給數字比較器，當與下一次中斷信號一致時，它會向CPU發送一次中斷，并輸出相信號給邏輯電路，最后驅動電動機。同時依據此中斷信號計算轉速，以作為高速單脈沖工作狀態的參考點（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角的大小，因而本設計采取每相固定導通30°的控制方式，其實現方法待后詳述）。
當轉速給定后，即可采用調節電位器輸出模擬量送給Atmega16的A/D模塊。系統中的LED用于顯示轉換速等信息，鍵盤用于設定各參量（如方向等）。其控制結構框圖如圖2所示。
4.1 PWM控制
AVR的T/C1除具有定時、計數、輸入捕捉和輸出比較功能外，還可構成兩個脈沖寬度調制PWM輸出通道。由于經緩沖的PWM輸出可驅動電機，且其轉速正比于OCR1A或OCR1B寄存器的內容。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，從而實現控制各路相信號以及低速調速之目的。
4.2 高速單脈沖控制
采用高速單脈沖控制方式時，可使關斷角保持不變，從而使開通角在較寬的范圍內進行調節，最終實現高速高速。由于AVR系列單片機具有輸入捕捉功能，因此可將PIA或PIB信號送給ICP腳，然后讓ICP1寄存器首先捕捉脈沖上升沿發生的時間，接著再捕捉下一次上升沿發生的時間，然后用這段時間除以相間隔的角度15°就可得到標準單脈沖數。當然，由于中斷處理需要一定的時間，所以要通過軟件修正。這樣就可以高精度控制高速運轉時的開通角和關斷角，從而實現高速單脈沖的軟件控制。
5 軟件示例
5.1 相輸出子程序示例
；正轉相輸出
.def xiin=r16 ;相輸入信號寄存器
；====================
xinoutz:in xiin,pind ;將相輸入信號送給寄存器
andi xiin,$03 ;相與只剩下相信號
cpi xiin,$01 ;是否da輸出
brbc 1,daout ;相等，da輸出
cpi xiin,$03 ;是否ab輸出
brbc 1,about ;相等，ab輸出
cpi xiin,$02 ;是否bc輸出
brbc 1,bcout ;相等,bc輸出
cpi xiin,$00 ;是否cd輸出
brbc 1,cdout ;相等,cd輸出
；====================
；反轉相輸出
；====================
xinoutf:in xiin,pind ;將相輸入信號送給寄存器
andi xiin,$00 ;相與只剩下相信號
cpi xiin,$01 ;是否da輸出
brbc 1,daout ;相等，da輸出
cpi xiin,$02 ;是否ab輸出
brbc 1,about ;相等，ab輸出
cpi xiin,$03 ;是否bc輸出
brbc 1,bcout ;相等,bc輸出
cpi xiin,$01 ;是否cd輸出
brbc 1,cdout ;相等，cd輸出
；====================
daout:sbic pinb,4 ;開通a相低電平有效
sbic pinb,7 ;開通d相？
sbis pinb,5
sbis pinb,6
ret
about:sbic pinb,4 ;開通a相
sbic pinb,6 ;開通b相
sbis pinb,5
sbis pinb,7
ret
bcout:sbic pinb,5 ;開通c相
sbic pinb,6 ；開通b相？
sbis pinb,7
sbis pinb,4
ret
cdout:sbic pinb,5 ;開通c相
sbis pinb,7 ;開通d相？
sbis pinb,4
sbis pinb,6
ret
5.2 速度采集顯示子程序示例
.include "m16def.inc"
.org $001c
rjmp adcint
.def channel=r29 ;模擬通道號
.def lresult=r2 ;轉換低字節
.def hresult=r3 ;轉換高字節
.def temp=r16
.equ sample=$0060 ;采樣數據1緩沖區首地址
.equ sample2=$0063 ;采樣數據2緩沖區首地址
.def round=r17 ;顯示回合計數器
.def outer=r19 ;存放外環計數器
.def inner=r18 ;存放內環計數器
.equ slabel=$0400 ;字符碼首地址
.def hxian=r2 ;存放預顯示高字節
.def lxian=r1 ;存放預顯示低字節
；采集顯示速度占用系統資源r1r2s3r4r16,$60～$69
adcin:ldi channel,$04 ;從4通道開始
out admux,channel
ldi r16,$ee ;自由運行方式
out adcsr,r16 ;啟動轉換
clr xh ;建立sram指針
ldi x1,$60
inc channel ;通道號增1
out admux,channel ;選通道4
sbi adcsr,3 ;開啟ad中斷
ldi r28,$03 ;轉換次數
adhere:rjmp adhere ;等待中斷
adcint:in lresult,adcl ;讀轉換結果
in hresult,adch
st x+,lresult
dec r28
brne adnextc
rjmp adret
adnextc:ldi r28,$03 ;轉換次數
inc channel ;通道號加1
out admux,channel ;選下一個通道
cpi x1,$70 ;轉換的是通道7嗎
brme adret ;否，返回
cbi ADCSR,7 ;是，停止轉換
adret:reti
6 結束語
實際使用證明：Atmel公司出品的Atmega16系列單片機具有處理速度快，內部外設功能模塊豐富等優點，是一種性價比較高的單片機，特別適用于電池供電、便攜式以及電機驅動等系統。本文的開關磁阻電機充分利用了該單片機豐富的內部外設模塊，因而簡化了外圍電路，大大提高了性價比。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號