基于Cortex M3處理器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)SRM（Switched Reluctance Motor）是隨著電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及效率高等突出特點(diǎn)，成為交流、直流和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，引起各國(guó)學(xué)者和企業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。

本文以32位ARM Cortex M3內(nèi)核的高性能微處理器STM32F103為核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低壓SRM控制器，具有高性能和低成本的特點(diǎn)。所控制的SRM為三相12/8極結(jié)構(gòu)。控制器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：額定工作電壓48 V，功率500 W，轉(zhuǎn)速1 300 r/min。

1 SRM控制系統(tǒng)

1.1 SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由SRM和控制器兩大部分組成。本文所設(shè)計(jì)的控制器包括處理模塊、功率變換器和檢測(cè)模塊等部分。處理模塊根據(jù)反饋回來(lái)的SRM相電流及位置檢測(cè)信號(hào)控制功率變換電路內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，從而控制SRM的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向[2]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。


1.2 控制器設(shè)計(jì)

1.2.1 處理器模塊

處理器模塊主要由主處理器、外圍振蕩電路和復(fù)位電路等輔助電路組成，采用了以ARM Cortex M3為內(nèi)核的STM32F103處理器。

STM32F103主頻72 MHz，計(jì)算性能1.25 DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法。內(nèi)置模塊包括2個(gè)16通道12 bit DC、32 KB~128 KB零等待周期閃存程序存儲(chǔ)器、6 KB~20 KB SRAM、7個(gè)定時(shí)器；-40 ℃～+105 ℃的工業(yè)級(jí)溫度范圍。適用于電機(jī)數(shù)字控制、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集和遙測(cè)等領(lǐng)域。

本文采用了STM32F103的3個(gè)Timer端口與內(nèi)置在SRM內(nèi)的3個(gè)霍爾位置傳感器一一相連，用以采集轉(zhuǎn)子的位置信息，并以此來(lái)計(jì)算SRM的轉(zhuǎn)速。采用了5路ADC輸入端口連接3路霍爾電流傳感器、1路霍爾電壓傳感器，以及轉(zhuǎn)把內(nèi)置霍爾傳感器。采用3路PWM信號(hào)連接到功率變換器作為功率變換器的上開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，3路I/O信號(hào)作為下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1.2.2 功率變換器

采用三相不對(duì)稱半橋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功率變換器，開(kāi)關(guān)管采用大電流MOSFET功率器件IRF540，額定電流28 A，額定電壓100 V。所設(shè)計(jì)的不對(duì)稱半橋的電路圖如圖2所示。MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)采用了大電流光耦HCPL3120。


1.2.3 反饋模塊

本文分別采用霍爾電流、電壓和位置傳感器實(shí)現(xiàn)反饋模塊。

采用四通道比較器芯片LM339設(shè)計(jì)三相電流遲滯斬波電路，如圖3所示。內(nèi)部產(chǎn)生參考電壓后與電流反饋電路采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，再根據(jù)斬波要求輸出控制開(kāi)關(guān)管的信號(hào)，從而達(dá)到斬波的控制目的。


2 控制軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中軟件程序主要包括主程序、初始化子程序、中斷服務(wù)子程序。按需要實(shí)現(xiàn)的功能，可分為位置檢測(cè)模塊、反饋控制模塊、換相控制模塊。這些功能模塊都是通過(guò)中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的。而模塊化的編程處理方法使得程序之間的關(guān)聯(lián)最小化，以利于程序的調(diào)節(jié)和完善。

2.1 SRM運(yùn)行模式

SRM在低于基速以下運(yùn)行時(shí)，常采用電流斬波控制(CCC)方式，以避免過(guò)大的電流和磁鏈峰值，取得恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性[3]。常見(jiàn)的CCC方法是保持開(kāi)通角θon、關(guān)斷角θoff不變，通過(guò)主開(kāi)關(guān)器件的多次導(dǎo)通和關(guān)斷將電流限制在給定的上下限值之間，并籍此控制轉(zhuǎn)矩。
在中低速下，可采用調(diào)節(jié)相繞組外加電壓有效值的電壓調(diào)節(jié)控制（VC）方式，其實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)PWM占空比完成電壓比例調(diào)節(jié)。

SRM在高速運(yùn)行時(shí)，常采用改變θon、θoff的角度位置控制(APC)方式來(lái)完成轉(zhuǎn)矩和調(diào)速調(diào)節(jié)[4]。

2.2 主程序

主程序完成控制軟件大部分功能。這些功能包括操作輸入處理（啟動(dòng)/停止/轉(zhuǎn)向）、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、PWM輸出以及I/O口選相信號(hào)的輸出等。操作輸入處理用來(lái)處理由控制面板輸入的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向以及加減速等信號(hào)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)先計(jì)算速度偏差以及偏差變化率，然后計(jì)算出PWM的占空比，并由定時(shí)器TIM3產(chǎn)生PWM信號(hào)輸出，對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。I/O口的換相信號(hào)輸出根據(jù)反饋的位置信號(hào)來(lái)選擇某一相通電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

速度反饋環(huán)設(shè)計(jì)在主程序中運(yùn)行，根據(jù)采樣時(shí)間判斷當(dāng)前的狀態(tài)，然后根據(jù)時(shí)間計(jì)算當(dāng)前的速度并由此得到所需的占空比，然后輸出PWM驅(qū)動(dòng)SRM運(yùn)轉(zhuǎn)。

采用中斷子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的功能，包括位置信號(hào)捕獲中斷子程序和定時(shí)器中斷子程序。

2.3 換相控制

從SRM電機(jī)本體上安裝的位置傳感器產(chǎn)生3路信號(hào)傳給CPU，系統(tǒng)使用是軟件中斷和查詢方式相結(jié)合的中斷方式，以準(zhǔn)確讀取位置信號(hào)，然后該服務(wù)中斷程序根據(jù)這3個(gè)位置信號(hào)電平的值給對(duì)應(yīng)的MOS管導(dǎo)通信號(hào)。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)試環(huán)境包括12/8結(jié)構(gòu)的500 W SRM電機(jī)一臺(tái)，所設(shè)計(jì)的控制器為100 V 50 kVA直流電源系統(tǒng)，負(fù)載為ZF200 KB電磁測(cè)功機(jī)。

3.1 0.5 Nm輕載，1 250 r/min測(cè)試

圖4為輕載時(shí)A相位置、上下管驅(qū)動(dòng)及相電流信號(hào)。上管采用PWM調(diào)節(jié)電流，下管負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)換相。此時(shí)PWM占空比很小，有效電流不會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入斬波模式，電流波形為階梯式上升和下降。


3.2 3.5 Nm重載，700 r/min測(cè)試

圖5為重載時(shí)A相位置、上下管驅(qū)動(dòng)及相電流信號(hào)。此時(shí)上管仍采用PWM調(diào)節(jié)電流，下管負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)換相。此時(shí)PWM占空比很大，有效電流導(dǎo)致進(jìn)入CCC模式。

圖6為重載時(shí)A、B、C三相電流信號(hào)及A相電壓信號(hào)。當(dāng)上下主開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)繞組的電壓與電源電壓相等；當(dāng)上管關(guān)斷，下管打開(kāi)時(shí)由于續(xù)流二極管的作用使得繞組兩端等電位，由此測(cè)得此時(shí)的相電壓為0；當(dāng)上、下管全部關(guān)斷時(shí)，繞組電流通過(guò)續(xù)流二極管返還給電源，此時(shí)電壓為反向偏壓。當(dāng)繞組電能釋放完畢時(shí)，其繞組兩端電壓為零。

本文采用ARM Cortex M3內(nèi)核芯片STM32F103設(shè)計(jì)了三相12/8極SRM控制器。測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱半橋結(jié)構(gòu)功率變換器的驅(qū)動(dòng)，繼而可用于實(shí)現(xiàn)CCC、APC等系統(tǒng)控制模式。