開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

興志

摘 要：首先介紹了開關(guān)磁阻電機(jī)基本原理及基本控制策略，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于ARM Cortex M3內(nèi)核的微處理器STM32F103上的軟件設(shè)計(jì)。軟件是經(jīng)典的前后臺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)速及各種保護(hù)功能。相較于現(xiàn)有控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的多中斷情形，該軟件設(shè)計(jì)在所有功能均滿足的情形下，兼顧程序的精簡性及可擴(kuò)充性，僅使用一個(gè)定時(shí)中斷，并解決了由于多中斷的軟件設(shè)計(jì)導(dǎo)致的電流斬波偏高的問題，獲得較理想的電流斬波效果。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī) 控制策略 軟件設(shè)計(jì) 電流斬波

中圖分類號：TD614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0080-01

開關(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)速系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，成為交流、直流和無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)有力的競爭者，引起各國學(xué)者和企業(yè)的廣泛關(guān)注。

1 基本控制策略

開關(guān)磁阻電機(jī)基本控制策略主要包括電流斬波控制（CCC）、電壓PWM控制、角度位置控制（APC）三種控制策略。

電流斬波控制的優(yōu)點(diǎn)是可限制電流峰值的增長，保護(hù)開關(guān)器件的安全，并起到良好有效的調(diào)節(jié)效果，因此適用于低速調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)相電流超過約定的上限電流值時(shí)，則主開關(guān)關(guān)斷，當(dāng)相電流低于約定的下限電流值時(shí)，則組合開關(guān)開通，從而實(shí)現(xiàn)電流斬波控制效果。

電壓PWM控制是通過調(diào)整占空比，來調(diào)節(jié)相繞組的平均電壓，以改變相繞組電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，電壓PWM控制的特點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)相繞組電壓的平均值，進(jìn)而能間接地限制和調(diào)節(jié)相電流，因此既能用于高速調(diào)速系統(tǒng)，又能用于低速調(diào)速系統(tǒng)，而且控制也較簡單。

角度位置控制是指對開通角和關(guān)斷角的控制。它的實(shí)質(zhì)就在于輸入電壓保持不變而通過改變主開關(guān)的開通角和關(guān)斷角來調(diào)節(jié)電流，以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。角度控制的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍較大，可允許多相同時(shí)通電，以增加電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)效率最有控制和轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。

為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)良好的調(diào)速性能，該軟件設(shè)計(jì)采用以下組合控制策略，即電機(jī)基速以下運(yùn)行時(shí)，采用電流斬波控制方式；在中低速下，采用電壓PWM控制方式；而在高速運(yùn)行時(shí)，采用角度位置控制方式。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用前后臺系統(tǒng)作為軟件框架，分為主程序和中斷程序兩部分，相較于現(xiàn)有控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的多中斷程序，該軟件設(shè)計(jì)僅采用了一個(gè)定時(shí)中斷，是程序更簡潔，增加了程序的可讀性及可移植性，同時(shí)也有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)充與完善?，F(xiàn)有控制系統(tǒng)軟件中多數(shù)使用多中斷設(shè)計(jì)，其中包括計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速使用的捕獲中斷，獲取電機(jī)位置使用一路或兩路外部中斷，電流采樣時(shí)使用的DMA中斷，以及一至兩個(gè)定時(shí)中斷，這些中斷不僅增加了程序的復(fù)雜性，同時(shí)也降低了軟件的可靠性。

在軟件設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)和難點(diǎn)就是如何獲得較好的斬波效果，而軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響了斬波效果的好壞。在現(xiàn)有的軟件設(shè)計(jì)中，一般是將各相電流通過ADC采樣，再經(jīng)DMA通道傳輸，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)DMA中斷，然后在一個(gè)定時(shí)中斷（定時(shí)中斷時(shí)間一般為50us至100us）中實(shí)現(xiàn)電流斬波。而這種設(shè)計(jì)會產(chǎn)生兩個(gè)問題。其一，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)其他功能，定時(shí)中斷時(shí)間不能進(jìn)一步縮短，而這對電流斬波而言，時(shí)間間隔又太長，以50us為例，電流可能會在50us的時(shí)間中上升40A。其二，DMA中斷優(yōu)先級要高于定時(shí)中斷，這可能會導(dǎo)致定時(shí)中斷的執(zhí)行被DMA中斷打斷，進(jìn)一步延長了電流斬波的時(shí)間間隔，會導(dǎo)致電流斬波效果進(jìn)一步惡化，由于斬波時(shí)間間隔過長，導(dǎo)致電流斬波上限偏高。

該軟件設(shè)計(jì)僅使用一個(gè)10us定時(shí)中斷，相較于現(xiàn)有控制系統(tǒng)軟件的多中斷程序更簡潔。中斷程序主要功能是實(shí)現(xiàn)定時(shí)器更能，獲取電機(jī)位置、計(jì)算電機(jī)速度，計(jì)算轉(zhuǎn)子角度及讀取相繞組電流值并實(shí)現(xiàn)電流斬波功能。中斷程序框圖如圖1所示。

控制器STM32F103有16個(gè)12位的AD轉(zhuǎn)換通道，可對電機(jī)各相繞組電流進(jìn)行采樣，將電流采樣值通過DMA通道直接傳輸?shù)酱鎯ζ?，將電流值與約定的電流上下限值比較，決定是否斬波，實(shí)現(xiàn)電流斬波功能。由于該軟件設(shè)計(jì)采用一個(gè)定時(shí)中斷，且縮短了定時(shí)中斷的時(shí)間間隔，避免了由于多中斷設(shè)計(jì)導(dǎo)致的電流斬波時(shí)間間隔過長的問題，能夠獲得較好的電流斬波效果。

3 測試結(jié)果與分析

測試環(huán)境為12/8結(jié)構(gòu)1kW SRM一臺，直流穩(wěn)壓電源和電磁測功機(jī)及相關(guān)測試工具。測試結(jié)果表明，該軟件系統(tǒng)具有良好的控制性能，能夠按照預(yù)定的控制策略完美運(yùn)行，且能對控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的保護(hù)功能。并且由于新的軟件設(shè)計(jì)相較于現(xiàn)存的軟件，僅采用一個(gè)定時(shí)中斷，且中斷時(shí)間大為縮短，獲得了良好的電流斬波效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王宏華.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 黃操，張奕黃.開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計(jì)研究[J].微電機(jī)，2006，39（8）：86-88.

[3] 鐘銳，徐宇柘，陸生禮.基于CortexM3處理器的開關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（3）：32-34.endprint