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摘要：主要研究四相8/6极开关磁阻电机驱动系统在两轮电动车中的应用，设计了以AVR单片机为主控芯片的电动车控制器。简介开关磁阻电机的结构和工作原理；分析并确定了开关磁阻电机的位置信号检测方法；制定了该系统使用的控制策略：采用转速外环、电流内环的双闭环控制，通过AVR单片机片内定时器/计时器T/C2输出的PWM斩波调压间接地调节电流以控制电机的转速。以AVR单片机为核心，设计了开关磁阻电机控制系统的各硬件电路，主要有电源转换电路和电压采样电路、系统功率电路及MOSFET驱动电路、位置信号检测电路和电流检测与保护电路。在硬件电路的基础上设计了系统的控制软件，并对电动车的刹车、过流保护、欠压保护和定速巡航等功能加以改善和提高。
关键词：开关磁阻电机驱动系统 电动车 AVR单片机 控制器
引 言
电动车是解决世界能源危机、空气污染等重大难题的理想交通工具，是21世纪高科技产品之一。电动车的研制成功，主要取决于车体、蓄电池和驱动系统三大部分，其中驱动系统的优劣对电动车的驾驶性能、续驶里程亦起着重要的作用。开关磁阻电机驱动系统具有许多交、直流电机驱动系统难以比拟的明显优点，是电动车驱动系统中的强有力竞争者。
开关磁阻电机驱动系统（SRD）由开关磁阻电机（SRM或SR电机）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成，是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它的结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优越，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。随着近代电力电子技术和控制技术的发展，SRD产品已广泛或开始应用于电动车驱动等各个领域，呈现强大的市场潜力。
本文主要研究的是以AVR单片机ATmega48为主控芯片的，并根据SR电机的运行原理及两轮电动车的运行特性设计出的电动车控制器。电动车控制器要实现的主要功能如下：
1.电动：电动车调速转把可在0-20km/h范围内调速。
2.定速：当手柄在某一位置停留时间到达6s或6s以上时，电动车进入定速行驶状态。两种情况下可以退出定速状态：转把回归到初始位置再转动或出现刹车时。
3.欠压保护：当蓄电池电压低于42V时，强制制动电机；当蓄电池电压恢复到45V以上再重新开始正常工作。
4.过流保护：当系统功率电路中的电流超过额定电流28A时过流保护。
5.刹车：在硬件上有刹车断电，在软件上，高速刹车时给电机加上制动转矩，低速时依靠机械刹车即可。
1、SRD系统结构及运行原理
SRD系统结构如图1.1所示。
1.1.1 SR电机的基本结构和工作原理
SR电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件，图1.2为典型SR电机的结构原理。定转子铁心均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一组，也称一相。本文选用四相8/6级SR电机做为电动车的驱动电机。
SR电机的工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。转子的转向与相绕组的通电方向无关，仅取决于相绕组的通电顺序。若改变相电流的大小，则可改变电机转矩的大小，进而可改变电机转速。
1.1.2 功率变换器
功率变换器是SR电机运行时所需能量的供给者，起控制绕组开通与关断的作用。其主电路结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。本文选用H桥型主电路。
1.1.3控制器和检测器
控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢，一般由单片机及外围接口电路等组成。
位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。本文选用光敏式位置检测器。
1.2 SRD系统的运行原理
1.2.1 主要控制方式
SRD 系统的控制方式是指电动机运行时控制哪些参数及如何控制，使电动机按规定的工况运行，并保持较高的性能指标。根据SR电机的可控量有加于绕组两端的电压uk、相电流ik、开通角θon和关断角θoff等参数，主要有以下三种控制方式：
（1）角度位置控制（APC）
加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角θon和关断角θoff，来改变绕组通电、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。
（2）電流斩波控制（CCC）
电机低速运行特别是在启动时需对电流峰值进行限制，以避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电机造成损坏，采用电流的斩波控制，获得恒转矩的机械特性，将直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。
（3）电压斩波控制（CVC）
电压斩波控制是保持开通角θon、关断角θoff不变的前提下，使功率开关器件工作在脉冲宽度调制（PWM）方式。脉冲周期T 固定，通过调节PWM波的占空比，来调整加在绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。
为了保证SR电动机的可靠运行，一般在低速（基速以下）时，采用CCC控制（又叫电流PWM控制）；在高速情况下，采用APC控制（也叫单脉冲控制）。
1.2.2 SR电机的机械特性
SR电机的机械特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、串励特性区（自然特性区），如图1.3所示。在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，因此需要对电流进行斩波限幅，称为采用电流斩波控制（CCC）方式，也可采用调节相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制（APC）方式；在串励特性区，电源电压、开通角和关断角均固定。转速Ω1， Ω2为各特性交接的临界转速，其中Ω1是SR电动机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为SR电机的额定转速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率；Ω2是能得到额定功率的最高转速，恒功率特性的上限，可控条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率将下降，Ω2亦称为第二临界转速。 图1.3 SR电机的机械特性
1.2.3 SRD系统的位置信号检测
位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，以控制对应的相绕组通断。
光电耦合开关可固定在定子上，亦可固定在机壳上。它是一种槽型（U型）结构，其发射器（发光二极管）和接收器（光敏三极管）分别位于U型槽的两侧，并形成一个光轴，当物体经过U型槽且阻断光轴时，光电耦合开关就产生开关信号。
遮光盘固定在转子轴上，与电机同步旋转，它有与转子凸极、凹槽数相等的齿、槽，且齿槽均匀分布。通过遮光盘，使位置检测器导通和关断，产生包含转子位置信息的脉冲信号。电路通电后，可输出两相周期为60。、间隔为15。的脉冲序列，两相位置信号经过逻辑变换，即可用于控制四相绕组的通断。
为了消除干扰，光电耦合开关输出的信号需要经过整形，可采用滞环比较器电路防止边沿抖动，用具有施密特整形功能的非门来整形。光电三极管的通断信号经比较器输出给施密特触发器整形，再经反相器反相输出位置信号S。
2、控制器的硬件电路设计
本文选用AVR单片机ATmega48为主控芯片， ATmega48单片机不仅具有强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，如图2.1所示。控制系统主要由以下几个部分组成：
（1）核心微处理器ATmega48：主要功能是输出PWM，根据位置信号输出换相信号，处理电动车的起停、调速运行和保护。
电源电路：将48V电源转换为ATmega48的工作电压5V和IR2103的工作电压15V。
（2）系统功率电路及MOSFET的驱动电路：驱动电路由IR2103实现。
（3）转子位置信号处理：检测转子位置，送至AVR单片机的中断引脚。
（4）转速给定部分：由电动车的手柄将转速的给定信号送到AVR单片机的ADC口。
（5）电流检测和保护部分：通过检测主电路上采样电阻的电压得到主电路上的电流，完成保护功能，并将电流和保护信号送至AVR单片机。
2.1 电源电路和电压采样电路
2.1.1 电源电路
电动车靠蓄电池供电，蓄电池的电压为48V，而在控制电路中用到的芯片的工作電压有15V和5V两种，因此需要将48V的电压进行电平转换。用的是三端集成稳压器，该稳压器具有输出电压稳定、内置保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。
2.1.2 电压采样电路
随着电动车运行，蓄电池的电压会不断下降，当下降到一定值的时候如果还继续使用电动车将会导致蓄电池放电过深，严重损害蓄电池的寿命，因此设计了一个电源电压采样电路，如图2.2所示。48V电源电压经过电阻分压到5V以下的，分压后的电压信号经RC滤波线路输入到单片机的ADC口。二极管1N4148的作用是将输入信号的最高电压钳制在VCC+0.5V左右，单片机再根据该电压信号适时的进行欠压保护。
2.2 系统功率电路及MOSFET驱动电路的设计
2.2.1 系统功率电路
如图2.3所示为系统功率变换器电路。电解电容对整流电路的输出起到滤波和吸收电流回馈作用。R1为合闸时的充电电阻，以防止合闸时浪涌电流对滤波电容有过大的电流冲击。当电机起动后，开关闭合，将R1从电路中切除。R是采样电阻，用于电流环控制和硬件过流保护。
2.2.2 MOSFET驱动电路
由于单片机输出的换相信号电流不足以驱动MOSFET，所以需要另加驱动，采用集成电路芯片IR2103驱动MOSFET。IR2103的真值表如表2.1所示。
2.3 转子位置信号处理电路
。由SR电机内部位置传感器传来的两路位置信号经过光耦TLP521隔离，然后经过施密特反相器整形传给AVR单片机，其中一相传给捕捉单元的CAP1引脚，单片机片内的计时器T/C1会记录下该捕获信号的时刻，与上一次捕获信号的时刻相比较就能得出这一小段时间内的平均速度，由于时间间隔很短，因此可视为该时刻的瞬时速度。
光耦TLP521的隔离作用能有效的去除干扰信号，而当无光耦隔离时，AVR单片机会把很多干扰信号误当成位置信号，以至于速度计算不正常，所以光耦隔离单元必不可少。
2.4 电流检测和保护电路
从采样电阻上采样电压经过放大后，一方面得到的Iback输入单片机AVR单片机的ADC口，实现电流环闭环控制和软件过流保护；另一方面经过一个比较器，实际电流信号和设定电流上限值比较，若实际电流超过设定电流上限，则比较器输出低电平信号OC，OC与PWM信号和换相信号相与，如果OC出现低电平，则MOSFET都不会被导通，当电流下降到电流上限以下后，OC恢复高电平，MOSFET又会受PWM信号控制而导通，从而实现限流的作用，达到硬件过流保护的目的。
3、控制器的软件设计
软件程序主要包括以下几个子程序：主程序、初始化子程序、换相子程序、刹车中断服务子程序、事件捕捉中断服务子程序和ADC转换结束中断服务子程序。按需要实现的功能分，软件部分可分为以下几个模块：位置检测模块、换相控制模块、AD采样模块、双闭环控制模块、刹车控制模块、过流保护模块、欠压保护模块和定速巡航模块。这些功能模块都是通过中断服务程序来实现的。
3.1 初始化程序
初始化主要是对硬件系统进行初始化，硬件系统的初始化包括引脚的初始化、定时器/计数器T/C1的初始化、定时器/计数器T/C2的初始化、ADC的初始化和看门狗初始化。
3.2 主程序
主程序流程图如图3.1所示。程序开始运行时，先对单片机里的硬件进行初始化，当手柄拧动的时候，单片机通过ADC采样信号获得给定速度，从而进行电动车控制操作，同时根据位置信号的电平给出各相的导通信号。
3.3 各功能模块设计
3.3.1 位置检测模块 此功能模块是通过AVR单片机的ICP输入捕捉单元来实现的，如图3.2所示。
3.3.2 換相控制模块
ATmega48管脚有电平变化中断的功能，即引脚上的任何电平变化都会引起中断。本系统有两个位置信号，将它们接在有此功能的I/O管脚上，并将其设置为引脚电平变化中断的功能模式，这样只要电机转动有一相位置信号发生了变化，系统就会触发中断，然后该服务中断程序根据这两个位置信号电平的值来给各相对应的MOSFET导通信号。这两个位置信号与各相导通信号的关系如图2.7所示。
3.3.3 双闭环控制模块
SRD调速系统最主要的特点是以转速值为给定量，并使电动机转速跟随给定量。为了使系统具有良好的调速性能，采用转速、电流双闭环调速系统[20]
给定转速和SR电机转速的反馈值相叠加（相减）后，转速误差信号输入到速度调节器，转速调节器的作用是对转速误差信号进行PI（比例和积分）运算，PI调节的特点是：比例调节的输出与偏差成正比，偏差越大调节的速度越快；而积分环节只要偏差存在就对其进行积分，可以用来消除静差。因此PI调节器能够将比例调节的快速性和积分调节消除静差的作用有机地结合起来，用以改善系统特性。
3.3.4 AD采样模块
系统中有三个量需要AD采样：电流、电源电压、手柄电压。每次AD转换结束触发中断，通过写ADMUX寄存器的MUX位来选择模拟输入通道。
3.3.5 刹车控制模块
系统采取的措施就是在高速时加入反向控制导通信号，使电机产生反向转矩，从而使电机的速度快速地降下来，而在低速时依靠机械刹车就可以了。
3.3.6 过流保护模块
为了避免大电流工作，损坏电机和控制器，电动车都设计有过流保护，
过流保护模块插入在ADC中断模块中，每次采样完电流后判断是否过流，如过流则运行过流保护程序，否则继续下一次采样。
3.3.7 欠压保护模块
电动车一般都有欠压保护，当蓄电池电压降至额定值的90%左右，电池停止供电，从而防止蓄电池放电过深，受到损害。欠压保护模块和过流保护模块一样是插入在ADC中断子程序中的，在每次采样完电源电压后判断、运行的。
3.3.8 定速巡航模块
电动车在行驶过程中，在比较平稳的地段如果想保持一个速度前进就必须一直拧动手柄在同一个位置。如果加上定速巡航模块就不需要那么费力的由人工操作来实现了，只需要行使者保持手柄在想要的速度上达6s，就可以实现定速行驶。
4、结束语
通过对开关磁阻电机驱动系统的研究，开发了基于开关磁阻电机的电动车控制系统，经过对实际的电动车调试，验证了该系统实时性和可靠性。
通过硬件设计、软件编程及最后的运行情况可见，基于AVR单片机的开关磁阻电机调速系统稳定、可靠，充分发挥了AVR单片机的片内外设功能，优化了硬件电路，使电动车运行平稳，能较快实现起动、加速、减速和制动过程。
实践证明，经济可靠的开关磁阻电机传动系统特别适用于小功率的两轮电动车，有很好的应用前景。■
参考文献
[1] 白木，周洁.我国电动汽车发展综述[M].北京：机电信息出版社，2003
[2] 唐苏亚.电动车辆及其电机的发展概况[J].电机技术，1996： 49-51
[3] 胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，1998
[4] 陈昊.开关磁阻调速电机系统研究[J].仪器仪表学报，2001，22（3）：158-160
[5] 吴建华. 开关磁阻电机设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2000
[6] 孙建忠，白凤仙.特种电机及其控制[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
[7] 曹志亮，冬雷，朱学忠.电动摩托车用开关磁阻电机控制策略研究[J].微电机，2000，33（6）：13-15
关键词：开关磁阻电机驱动系统 电动车 AVR单片机 控制器
引 言
电动车是解决世界能源危机、空气污染等重大难题的理想交通工具，是21世纪高科技产品之一。电动车的研制成功，主要取决于车体、蓄电池和驱动系统三大部分，其中驱动系统的优劣对电动车的驾驶性能、续驶里程亦起着重要的作用。开关磁阻电机驱动系统具有许多交、直流电机驱动系统难以比拟的明显优点，是电动车驱动系统中的强有力竞争者。
开关磁阻电机驱动系统（SRD）由开关磁阻电机（SRM或SR电机）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成，是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它的结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优越，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。随着近代电力电子技术和控制技术的发展，SRD产品已广泛或开始应用于电动车驱动等各个领域，呈现强大的市场潜力。
本文主要研究的是以AVR单片机ATmega48为主控芯片的，并根据SR电机的运行原理及两轮电动车的运行特性设计出的电动车控制器。电动车控制器要实现的主要功能如下：
1.电动：电动车调速转把可在0-20km/h范围内调速。
2.定速：当手柄在某一位置停留时间到达6s或6s以上时，电动车进入定速行驶状态。两种情况下可以退出定速状态：转把回归到初始位置再转动或出现刹车时。
3.欠压保护：当蓄电池电压低于42V时，强制制动电机；当蓄电池电压恢复到45V以上再重新开始正常工作。
4.过流保护：当系统功率电路中的电流超过额定电流28A时过流保护。
5.刹车：在硬件上有刹车断电，在软件上，高速刹车时给电机加上制动转矩，低速时依靠机械刹车即可。
1、SRD系统结构及运行原理
SRD系统结构如图1.1所示。
1.1.1 SR电机的基本结构和工作原理
SR电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件，图1.2为典型SR电机的结构原理。定转子铁心均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一组，也称一相。本文选用四相8/6级SR电机做为电动车的驱动电机。
SR电机的工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。转子的转向与相绕组的通电方向无关，仅取决于相绕组的通电顺序。若改变相电流的大小，则可改变电机转矩的大小，进而可改变电机转速。
1.1.2 功率变换器
功率变换器是SR电机运行时所需能量的供给者，起控制绕组开通与关断的作用。其主电路结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。本文选用H桥型主电路。
1.1.3控制器和检测器
控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢，一般由单片机及外围接口电路等组成。
位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。本文选用光敏式位置检测器。
1.2 SRD系统的运行原理
1.2.1 主要控制方式
SRD 系统的控制方式是指电动机运行时控制哪些参数及如何控制，使电动机按规定的工况运行，并保持较高的性能指标。根据SR电机的可控量有加于绕组两端的电压uk、相电流ik、开通角θon和关断角θoff等参数，主要有以下三种控制方式：
（1）角度位置控制（APC）
加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角θon和关断角θoff，来改变绕组通电、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。
（2）電流斩波控制（CCC）
电机低速运行特别是在启动时需对电流峰值进行限制，以避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电机造成损坏，采用电流的斩波控制，获得恒转矩的机械特性，将直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。
（3）电压斩波控制（CVC）
电压斩波控制是保持开通角θon、关断角θoff不变的前提下，使功率开关器件工作在脉冲宽度调制（PWM）方式。脉冲周期T 固定，通过调节PWM波的占空比，来调整加在绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。
为了保证SR电动机的可靠运行，一般在低速（基速以下）时，采用CCC控制（又叫电流PWM控制）；在高速情况下，采用APC控制（也叫单脉冲控制）。
1.2.2 SR电机的机械特性
SR电机的机械特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、串励特性区（自然特性区），如图1.3所示。在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，因此需要对电流进行斩波限幅，称为采用电流斩波控制（CCC）方式，也可采用调节相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制（APC）方式；在串励特性区，电源电压、开通角和关断角均固定。转速Ω1， Ω2为各特性交接的临界转速，其中Ω1是SR电动机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为SR电机的额定转速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率；Ω2是能得到额定功率的最高转速，恒功率特性的上限，可控条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率将下降，Ω2亦称为第二临界转速。 图1.3 SR电机的机械特性
1.2.3 SRD系统的位置信号检测
位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，以控制对应的相绕组通断。
光电耦合开关可固定在定子上，亦可固定在机壳上。它是一种槽型（U型）结构，其发射器（发光二极管）和接收器（光敏三极管）分别位于U型槽的两侧，并形成一个光轴，当物体经过U型槽且阻断光轴时，光电耦合开关就产生开关信号。
遮光盘固定在转子轴上，与电机同步旋转，它有与转子凸极、凹槽数相等的齿、槽，且齿槽均匀分布。通过遮光盘，使位置检测器导通和关断，产生包含转子位置信息的脉冲信号。电路通电后，可输出两相周期为60。、间隔为15。的脉冲序列，两相位置信号经过逻辑变换，即可用于控制四相绕组的通断。
为了消除干扰，光电耦合开关输出的信号需要经过整形，可采用滞环比较器电路防止边沿抖动，用具有施密特整形功能的非门来整形。光电三极管的通断信号经比较器输出给施密特触发器整形，再经反相器反相输出位置信号S。
2、控制器的硬件电路设计
本文选用AVR单片机ATmega48为主控芯片， ATmega48单片机不仅具有强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，如图2.1所示。控制系统主要由以下几个部分组成：
（1）核心微处理器ATmega48：主要功能是输出PWM，根据位置信号输出换相信号，处理电动车的起停、调速运行和保护。
电源电路：将48V电源转换为ATmega48的工作电压5V和IR2103的工作电压15V。
（2）系统功率电路及MOSFET的驱动电路：驱动电路由IR2103实现。
（3）转子位置信号处理：检测转子位置，送至AVR单片机的中断引脚。
（4）转速给定部分：由电动车的手柄将转速的给定信号送到AVR单片机的ADC口。
（5）电流检测和保护部分：通过检测主电路上采样电阻的电压得到主电路上的电流，完成保护功能，并将电流和保护信号送至AVR单片机。
2.1 电源电路和电压采样电路
2.1.1 电源电路
电动车靠蓄电池供电，蓄电池的电压为48V，而在控制电路中用到的芯片的工作電压有15V和5V两种，因此需要将48V的电压进行电平转换。用的是三端集成稳压器，该稳压器具有输出电压稳定、内置保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。
2.1.2 电压采样电路
随着电动车运行，蓄电池的电压会不断下降，当下降到一定值的时候如果还继续使用电动车将会导致蓄电池放电过深，严重损害蓄电池的寿命，因此设计了一个电源电压采样电路，如图2.2所示。48V电源电压经过电阻分压到5V以下的，分压后的电压信号经RC滤波线路输入到单片机的ADC口。二极管1N4148的作用是将输入信号的最高电压钳制在VCC+0.5V左右，单片机再根据该电压信号适时的进行欠压保护。
2.2 系统功率电路及MOSFET驱动电路的设计
2.2.1 系统功率电路
如图2.3所示为系统功率变换器电路。电解电容对整流电路的输出起到滤波和吸收电流回馈作用。R1为合闸时的充电电阻，以防止合闸时浪涌电流对滤波电容有过大的电流冲击。当电机起动后，开关闭合，将R1从电路中切除。R是采样电阻，用于电流环控制和硬件过流保护。
2.2.2 MOSFET驱动电路
由于单片机输出的换相信号电流不足以驱动MOSFET，所以需要另加驱动，采用集成电路芯片IR2103驱动MOSFET。IR2103的真值表如表2.1所示。
2.3 转子位置信号处理电路
。由SR电机内部位置传感器传来的两路位置信号经过光耦TLP521隔离，然后经过施密特反相器整形传给AVR单片机，其中一相传给捕捉单元的CAP1引脚，单片机片内的计时器T/C1会记录下该捕获信号的时刻，与上一次捕获信号的时刻相比较就能得出这一小段时间内的平均速度，由于时间间隔很短，因此可视为该时刻的瞬时速度。
光耦TLP521的隔离作用能有效的去除干扰信号，而当无光耦隔离时，AVR单片机会把很多干扰信号误当成位置信号，以至于速度计算不正常，所以光耦隔离单元必不可少。
2.4 电流检测和保护电路
从采样电阻上采样电压经过放大后，一方面得到的Iback输入单片机AVR单片机的ADC口，实现电流环闭环控制和软件过流保护；另一方面经过一个比较器，实际电流信号和设定电流上限值比较，若实际电流超过设定电流上限，则比较器输出低电平信号OC，OC与PWM信号和换相信号相与，如果OC出现低电平，则MOSFET都不会被导通，当电流下降到电流上限以下后，OC恢复高电平，MOSFET又会受PWM信号控制而导通，从而实现限流的作用，达到硬件过流保护的目的。
3、控制器的软件设计
软件程序主要包括以下几个子程序：主程序、初始化子程序、换相子程序、刹车中断服务子程序、事件捕捉中断服务子程序和ADC转换结束中断服务子程序。按需要实现的功能分，软件部分可分为以下几个模块：位置检测模块、换相控制模块、AD采样模块、双闭环控制模块、刹车控制模块、过流保护模块、欠压保护模块和定速巡航模块。这些功能模块都是通过中断服务程序来实现的。
3.1 初始化程序
初始化主要是对硬件系统进行初始化，硬件系统的初始化包括引脚的初始化、定时器/计数器T/C1的初始化、定时器/计数器T/C2的初始化、ADC的初始化和看门狗初始化。
3.2 主程序
主程序流程图如图3.1所示。程序开始运行时，先对单片机里的硬件进行初始化，当手柄拧动的时候，单片机通过ADC采样信号获得给定速度，从而进行电动车控制操作，同时根据位置信号的电平给出各相的导通信号。
3.3 各功能模块设计
3.3.1 位置检测模块 此功能模块是通过AVR单片机的ICP输入捕捉单元来实现的，如图3.2所示。
3.3.2 換相控制模块
ATmega48管脚有电平变化中断的功能，即引脚上的任何电平变化都会引起中断。本系统有两个位置信号，将它们接在有此功能的I/O管脚上，并将其设置为引脚电平变化中断的功能模式，这样只要电机转动有一相位置信号发生了变化，系统就会触发中断，然后该服务中断程序根据这两个位置信号电平的值来给各相对应的MOSFET导通信号。这两个位置信号与各相导通信号的关系如图2.7所示。
3.3.3 双闭环控制模块
SRD调速系统最主要的特点是以转速值为给定量，并使电动机转速跟随给定量。为了使系统具有良好的调速性能，采用转速、电流双闭环调速系统[20]
给定转速和SR电机转速的反馈值相叠加（相减）后，转速误差信号输入到速度调节器，转速调节器的作用是对转速误差信号进行PI（比例和积分）运算，PI调节的特点是：比例调节的输出与偏差成正比，偏差越大调节的速度越快；而积分环节只要偏差存在就对其进行积分，可以用来消除静差。因此PI调节器能够将比例调节的快速性和积分调节消除静差的作用有机地结合起来，用以改善系统特性。
3.3.4 AD采样模块
系统中有三个量需要AD采样：电流、电源电压、手柄电压。每次AD转换结束触发中断，通过写ADMUX寄存器的MUX位来选择模拟输入通道。
3.3.5 刹车控制模块
系统采取的措施就是在高速时加入反向控制导通信号，使电机产生反向转矩，从而使电机的速度快速地降下来，而在低速时依靠机械刹车就可以了。
3.3.6 过流保护模块
为了避免大电流工作，损坏电机和控制器，电动车都设计有过流保护，
过流保护模块插入在ADC中断模块中，每次采样完电流后判断是否过流，如过流则运行过流保护程序，否则继续下一次采样。
3.3.7 欠压保护模块
电动车一般都有欠压保护，当蓄电池电压降至额定值的90%左右，电池停止供电，从而防止蓄电池放电过深，受到损害。欠压保护模块和过流保护模块一样是插入在ADC中断子程序中的，在每次采样完电源电压后判断、运行的。
3.3.8 定速巡航模块
电动车在行驶过程中，在比较平稳的地段如果想保持一个速度前进就必须一直拧动手柄在同一个位置。如果加上定速巡航模块就不需要那么费力的由人工操作来实现了，只需要行使者保持手柄在想要的速度上达6s，就可以实现定速行驶。
4、结束语
通过对开关磁阻电机驱动系统的研究，开发了基于开关磁阻电机的电动车控制系统，经过对实际的电动车调试，验证了该系统实时性和可靠性。
通过硬件设计、软件编程及最后的运行情况可见，基于AVR单片机的开关磁阻电机调速系统稳定、可靠，充分发挥了AVR单片机的片内外设功能，优化了硬件电路，使电动车运行平稳，能较快实现起动、加速、减速和制动过程。
实践证明，经济可靠的开关磁阻电机传动系统特别适用于小功率的两轮电动车，有很好的应用前景。■
参考文献
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