基于ARM的開關磁阻電機控制系統

鮑遠慧， 段 瓊， 楊艷麗

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥 230009)

0 引言

開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)是電機技術與現代電力電子技術、微機控制技術相結合的產物，由于SRM結構簡單，沒有換向器和電刷，轉子沒有繞組，同時還有價格低、效率高、機械特性硬等優點，目前已經在多個工業部門得到應用［1］。在當前的SRM控制領域中，專用數字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)，占據著重要位置，而嵌入式ARM芯片近年來發展迅速，在電機控制方面發揮著越來越重要的作用。以LPC2214作為主控制芯片，充分利用其高速運算能力和面向電機控制的高效控制管理，設計出SRM控制系統(Switched Reluctance Motor Drive，SRD)硬件電路及軟件控制策略。

1 系統總體結構

SRD從結構上可分為SRM和控制系統兩部分。SRM為電機本身結構，一般還包括位置傳感器。控制系統主要包括控制器和功率變換器兩部分。基于ARM的SRD由ARM主控制器、功率變換器、三相12/8 SRM、位置檢測器及電流檢測器等部分組成［2］。系統結構如圖1所示。

圖1 SRD結構框圖

2 系統硬件結構設計

SRD的硬件部分主要是控制電路和主電路。控制電路主要是控制、協調整個系統工作。其接受并處理來自控制臺的各種指令信息，在控制原則下，結合位置檢測器的位置信號以及電流檢測器的電流值等信息通過一定的算法得出相應的指令，來控制主電路，使得SRM運行在給定的狀態，并在這期間完成相應的通信、顯示、保護等功能。主電路其實就是功率變換器，它是直流電源和SRM的接口，在控制器的控制下起到開關作用，使電機繞組與電源接通和斷開，同時還為繞組的儲能提供回饋路徑。控制系統的硬件結構如圖2所示。主要包括三相12/8 SRM、功率變換器及驅動電路、位置檢測電路、電流檢測電路、ARM控制器LPC2210、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路、串口通信及保護電路等。

圖2 控制系統硬件結構

2.1 主控制器

選用ARM控制器LPC2214作為控制系統的核心，LPC2214是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，具有低成本、低功耗、高性能等優點。LPC2214具有144管腳封裝，極低的功耗，16 KB片內靜態RAM，256片內Flash，2個32位定時器(分別帶4路捕獲和4路比較通道)，8路10位ADC，6路脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)輸出，實時時鐘和看門狗，2個標準UART，高速I2C接口，2個SPI接口，通過配置總線可達76個通用I/O口(可承受5 V電壓)，晶振頻率范圍為1～30 MHz［3］。

2.2 功率變換器主電路及驅動電路

SRD的功率變換器電路結構有很多種，不同結構電路的主開關器件數量與定額、能量回饋方式及適用場合均不同。三相SRD最常用的主電路形式是雙開關型主電路(也叫三相不對稱半橋型主電路)［4］。圖3表示三相12/8 SRD的功率變換器主電路。圖中Us為三相交流電源通過整流得到的直流電源，6個絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)功率開關和續流二極管組成三相半橋式逆變電路，分別向SRM的三相繞組供電。當一相功率開關TA和TA'同時導通時，經A和A'向電機A相繞組通電。當TA和TA'同時關斷時，該相繞組通過續流二極管DA和DA'向電容器C續流和回饋能量，并使電流迅速降至零。選擇功率開關與電機繞組串聯，不會出現上下橋臂元件直通短路的危險。

圖3 三相不對稱半橋式功率變換器主電路

系統中選用IGBT作為主開關元件，由于控制器輸出的弱電信號并不能直接驅動IGBT導通關斷，它們之間還需要驅動電路的銜接，使控制器輸出的弱電信號反映在IGBT的基極驅動電壓上，以此來導通關斷IGBT。另外對器件或整個裝置的一些保護措施也往往通過驅動電路來實現，驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節，一般采用光隔離。隨著電力電子技術的發展，集成化的IGBT專用驅動模塊已大面積使用，比起常規分立器件，集成模塊的性能更好，可靠性更高且體積更小。

系統選用美國IR公司生產的驅動集成芯片IR2110，該芯片采用14腳DIP封裝，集成度高，具有獨立的低端和高端輸入通道，有自舉電路，可以保證上下兩路信號獨立有效輸出，可直接驅動兩個功率半導體器件MOSFET或IGBT，動態響應快、驅動能力強、工作頻率高——兼有電氣隔離和電磁隔離的優點［5］。一相功率開關的驅動電路如圖4所示，以IR2110為核心的電路構成主開關TA、TA'的驅動電路。引腳HIN及引腳LIN分別為電機一相繞組中的兩個IGBT器件的驅動脈沖信號輸入端，此處由于SRM兩個開關管是獨立開通和關斷，因此兩路控制信號完全獨立。SD為保護信號輸入端，HO和LO分別是上下兩路IGBT輸出信號。對于由6個功率元件構成的三相不對稱半橋式功率變換器來說，采用3片IR2110驅動3個橋臂，通過控制器LPC2214的PWM輸出可為功率主開關提供3路控制信號，該信號控制功率電路向電機繞組供電，可使電機轉子轉動。

圖4 一相功率開關的驅動電路

2.3 位置檢測電路

位置檢測部分是控制系統主要組成部分之一，其主要目的是檢測定、轉子的相對位置，使控制器能夠正確判斷和決定電機各相繞組的導通和關斷。系統采用光電式位置傳感器，光電位置傳感器由光電開關K(發光二極管、光敏三極管)、遮光盤及邏輯電路組成，遮光盤的齒槽均勻分布［6］。對于三相12/8極SRM，可以采用三個光電開關檢測轉子位置，三個光電開關之間的夾角可為最小7.5°。三相12/8 SRM的轉子極距角τr為45°，步距角為15°。電路通電后，可以輸出三路周期為45°、間隔為15°的脈沖序列，如圖5所示。將三路轉子位置信號異或后得到周期為15°的脈沖序列K，將K信號分為三路，一路通過角度細分電路送入到LPC2210的捕獲單元CAP0進行計數，可以實現角度細分控制。一路送入CAP1單元進行記錄兩次信號變化的時間間隔，由此可以確定電機轉子的位置，并通過捕獲一個完整的周期，在捕獲中斷之內算出方波周期，可用T法計算出電機的轉速，準確地控制各相的開通和關斷。另一路經f/U頻壓轉換后，轉變成電機的實際轉速信號，與給定的轉速信號比較后進行轉速調節。

圖5 三相基本位置信號

2.4 電流檢測電路

SRD要實現低速電流斬波控制、主開關過流保護等，就須對主電路的電流進行實時檢測。系統采用CSM025A型電流傳感器，它是利用霍爾效應和磁平衡原理制成的多量程電流傳感器，其測量精度高、線性度好、檢測頻帶范圍寬，同時具有強弱電隔離功能［6］。圖6為SRM一相電流檢測電路，將最后檢測到的電壓信號輸入LPC2214的A/D轉換器輸入口，從而實現對電機的相電流檢測，三相12/8 SRM需要三路這樣的電流檢測電路，三路輸出送入到 LPC2210的 AIN0、AIN1、AIN2引腳。

2.5 其他電路

系統中的控制器須同時實現各種故障的檢測、保護和顯示，包括主開關元件IGBT的保護、直流側過電壓欠電壓保護、過熱保護及過電流保護等。過壓、欠壓和過流保護的基本思想都是將運算放大器接成比較器的形式，將實際值和給定值比較，如果超過給定值就向控制器發出故障信號。過熱保護電路中可使用溫度傳感器AD590進行溫度測量，設計電路將溫度信號轉換為電壓信號后送入比較器與給定值進行比較，并且在發生過熱時向控制器發出故障信號。LPC2210在接到各種故障信息時，一方面關斷各相IGBT，實現硬件封鎖;另一方面故障信號將引起中斷，給出故障處理信息。消除故障后通過復位電路重新進入正常運行狀態。系統通過軟、硬件相結合，既可以保護電路，又能增強系統可靠性。

圖6 SRM一相電流檢測電路

系統中，所有對電機的控制命令和檢測數據都是使用上位機軟件通過串口發送給ARM來執行的，因此串口通信的設置具有十分重要的作用。控制器和上位機的通信是ARM通過UART0口進行ISP操作實現的，采用SP3232E作為RS－232電平與CMOS電平的轉換。LPC2214與上位機通信如圖7所示。

圖7 LPC2214與上位機通信

系統中的鍵盤輸入電路要完成正/反轉、加/減速、確定、停止、0～9的數字輸入、退格等功能，所以使用I2C接口的鍵盤與LED驅動芯片ZLG7290，設計有18位按鍵的鍵盤輸入電路。

系統液晶顯示電路選用SMG240128A點陣圖形液晶模塊，其采用8位總線方式連接，沒有地址總線，顯示地址和顯示數據均通過模塊上的DB0－DB7接口實現。LPC2214可以使用16位總線方式操作該圖形液晶模塊。由于模塊工作電源是5 V，而LPC2214的I/O電源是3.3 V，所以在總線上要串接470 Ω的保護電阻。

3 系統軟件部分設計

3.1 上位機軟件設計

上位機控制軟件采用VC++語言開發，其作用是通過UART口控制LPC2214工作，應用此軟件可以實現上位機對電機的正/反轉、加/減速、停止、制動及給定具體轉動速度，并且可以顯示電機的實際運行速度。

3.2 控制系統的軟件設計

要使控制系統可靠、穩定地運行，離不開程序的可靠執行。系統軟件控制程序主要由主程序、服務子程序和中斷處理子程序構成。本文通過移植源碼公開的嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ來管理整個控制系統的運行，它具有多任務性、實時性等優點。要構建整個下位機控制系統軟件框架，首先對μC/OS-II和各硬件部分進行初始化和參數設置，如圖8所示。然后進行多任務的創建，對整個下位機實現的功能進行任務分割，并根據實際需要為各個任務分配優先級，各個任務是通過搶占CPU的使用權來運行的，它們之間的通信通過信號量、郵箱、消息隊列等機制來完成。多任務模塊的劃分如圖9所示。

圖8 系統初始化

圖9 多任務模塊的劃分

μCOS-Ⅱ操作系統調用OSInit()函數對操作系統運行環境進行初始化，再調用OSStart()函數起動操作系統，然后根據各個任務的優先級別對它們進行實時調度和管理，以實現對SRM的電流、速度的控制。

4 結語

基于ARM的SRD能夠以較小的系統投入解決SRM的控制問題，控制能力較強，將系統硬件電路和控制程序模塊化，并且SRM工作在有位置傳感器反饋的閉環狀態下，使電機換相準確，運行良好，LPC2214以其強大的控制能力在SRD中表現出其巨大的優越性，實時操作系統的引入將提高系統整體性能，使電機的控制更加可靠、高效和完善。

［1］孫建忠，白鳳仙.特種電機及其控制［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［2］吳建華.開關磁阻電機設計與應用［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［3］周立功.ARM嵌入式系統基礎教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［4］楊樞林，宋海濱.基于ARM的開關磁阻電機控制裝置概述［J］.科技情報開發與經濟，2009，19(29):224-225.

［5］張明，章國寶.IR2110驅動電路的優化設計［J］.電子設計工程，2009，17(12):66-70.

［6］王宏華.開關型磁阻電動機調速控制技術［M］.北京:機械工業出版社，1999.