Atmega16 在开关磁阻电机调速系统中的应用

 

    摘要：针对开关磁阻电机调速系统的设计要求，提出了以 Atmega16 作为 CPU，并利
用该单片机硬件和软件上的优点来提高系统处理速度,简化外围电路和提高性价比的设计

 

方法。

    1 

 

引言

      目前，随着汽车工业的发展，能源短缺问题日趋严峻。开关磁阻电机（Switched 
Reluctance Motor，简称 SRM）以其启动转矩大、调速范围宽等优点被作为未来电动汽车
的理想驱动电机之一。开关磁阻电机是一种必须在控制器协调控制下才能运转起来的电机，
因而控制器性能的好坏直接影响电机的运转性能。以往控制系统所采用的 CPU 主要有三
种类型：一是采用 51 系列 8 位单片机，这种处理器处理速度相对缓慢，功能简单，外围
电路比较复杂。二是采用 196 系列 16 位单片机，这种处理器处理速度比较快，但由于内
部外设模块不够丰富，因而外围电路仍相对复杂。三是采用 240 系列 DSP，这种处理器处
理速度快，内部外设模块丰富，但芯片价格昂贵，所以不能得到较广泛的应用。

    2 AVR

 

系列单片机

    AVR 单片机是目前最新的单片机系列之一，具有速度高、片内硬件资源丰富等优点，可
作为真正意义上的单片机使用。它的最大特点是低功耗和高速度，其掉电方式、闲置方式
至工作方式下的耗电约为 1μA～2.5μA。该系列单片机采用现代微处理器流水管线预取指
令技术，淘汰了机器周期的概念。它以时钟周期为指令执行的基本时间单位，每个时钟周
期可执行一条指令。时钟频率通常采用 4MHz～8MHz，故最短的指令执行时间为 250ns～
25ns。在 12MHz 频率下，指令的吞吐量为 12MIPS，这是一般 MCS-51 单片机速度的 12 倍。
AVR 系列片内含有模拟比较器，与输入捕捉功能配合可进行多种模拟控制和转换。它借鉴
了某些机型的高速输入输出 HSIO 和可编程计数阵列 PCA 的概念，实现了本身的输入捕
捉、输出比较和脉冲宽度调制输出功能，从而成为脉冲信号测量、开关量按时控制及某些
直流马达调速的得力工具。在软件开发方面，AVR 单片机内含容量不等的闪速程序存储器
（Flash Memory,简称 Flash），可反复擦写至少 1000 次，极大地方便了产品开发和软件修
改。Flash 存储器中的程序可由 PC

 

机串行下载，亦可在通用写入器上以并行方式写入。

    3 

 

开关磁阻电机工作原理

    所谓磁阻电机是指电机各磁路的磁阻随转子位置而改变，因而电机的磁场能量也将随
转子位置的变化而变化，并将磁能变换成机械能。这种结构与步进电动机相似，开关磁阻

“

”

电动机的运行亦遵循 磁阻最小原理 ，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。而具有一定
形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的主轴线重合。图 1 为四
相开关磁阻电机结构图，当定子 D-D‘极励磁时，所产生的磁力会力图使转子旋转到转子
极轴线 1-1’与定子极轴线 D-D’重合的位置，并使 D 相励磁绕组的电感最大。若以图 1 中定、
转子所对的位置作为起始位置，然后依次给 D-A-B-C 相绕组通电，转子会逆着励磁顺序
以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给 B-A-D-C 相通电，则转子会沿顺时针方式转动。
可见，开关磁阻电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。