基于STM32F051的開關磁阻電機控制技術研究

李金水+孫會琴+李柯楠

摘 要：為了控制開關磁阻電動機（SRM）穩定運行，抑制轉矩脈動，文章以STM32F051為控制核心，針對開關磁阻電機的結構特點提出了一種新型的控制方法——直接瞬時轉矩控制（DITC）。介紹了該控制方法的原理及其在硬件電路中的實現。最后對該控制方法進行了實物驗證，實驗結果證明了基于STM32F051的DITC方法能夠有效的抑制SRM的轉矩脈動，控制其穩定運行。

關鍵詞：開關磁阻電機；STM32F051；直接瞬時轉矩；轉矩脈動抑制

中圖分類號：TM352 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0026-02

引言

SRM是一種極具發展潛力的新型交流調速電機，與傳統電機相比它擁有許多優點，比如結構簡單，運行穩定，啟動轉矩較大，調速范圍較寬，控制靈活等等。但由于SRM固有的雙凸極結構，并且其電磁轉矩是由脈沖轉矩疊加而成，所以它不是一個恒定值，并且有諧波分量，因此電機在運行時會出現脈動，在低速階段尤為明顯。所以對于轉矩脈動的抑制就成為了人們高度重視的問題。

1 SRM的直接瞬時轉矩控制

1.1 轉矩分配單元

轉矩分配單元中預先設定好了固定形狀的轉矩分配函數（TSF），以總的期望轉矩Tref和實時的轉子位置θ為輸入，經過預設的TSF計算分配之后得出當前各相的需求轉矩。

常用的TSF主要有余弦、直線兩種類型，研究結果[4]表明，余弦型TSF能夠較好的限制低速區轉矩上升過快，本文遂選取余弦型TSF作為預設。定義第k相轉矩分配函數為fk（θ），函數的表達式如下：

1.2 SRM的轉矩估算

開關磁阻電機的瞬時轉矩不易被直接測得，但可以通過測量其他的外部變量進而估算出瞬時轉矩。SRM瞬時轉矩的估算單元是DITC系統中很重要的一個單元，它直接影響了轉矩控制的精度。通常根據離線狀態電機的相電流和轉子位置信號計算出特定位置的瞬時轉矩大小，并使用查表法得到任意轉子位置瞬時轉矩。SRM的瞬時轉矩可以通過磁鏈特性，利用測得的相電流與轉子位置角度得到由公式，如式（2）所示：

2 DITC在硬件電路中的實現

系統工作時，光電位置傳感器采集的位置信號和A/D采集的電壓電流數據進入控制芯片STM32F051，控制器根據TSF表分析運算后，選擇合理的開通、關斷角進行瞬時轉矩輸出，然后再根據開關表的狀態觸發功率變換器PWM的輸出，控制瞬時轉矩跟隨給定轉矩變化，從而達到控制電機穩定運行的目的。

2.1 STM32F051控制器

本文控制系統的控制器采用的是STM32F051，這是一款搭載ARMTM內核的中低容量的32位微控制器，內置64KB的閃存、8KB RAM、RTC、定時器、ADC、DAC、電壓比較和通信接口。它的時鐘頻率為48MHz，電源電壓為3.3V，有1個16位3相電機PWM控制定時器，5個16位PWM定時器，1個16位基本定時器，1個32位PWM定時器，I/O翻轉頻率高達12MHz。

2.2 基于STM32F051的電壓采集

開關磁阻電機直接瞬時轉矩控制系統需要實時的采集電機的相電壓信號以便完成對轉矩的估算。為了在控制芯片STM32F051中實現對電壓信號的采集，首先用STM32CubeMX對STM32F051進行了引腳和時鐘信號的參數的配置，然后用KEIL進行了編程并進行了編譯，下載到了控制芯片中，最終實現了STM32F051對外部電壓信號的采集。在STM32STUDIO軟件中對控制芯片進行了外部電壓采集的實驗，證明了程序的正確性。

2.3 基于STM32F051的開關磁阻電機驅動

針對本研究所用的三相6/4極開關磁阻電機，設計了基于STM32F051控制芯片的PWM驅動波形，同樣用KEIL軟件進行了編程，并編譯下載到了控制芯片中。

3 實驗

上述的直接瞬時轉矩控制策略應用于一臺200W，6/4極的開關磁阻電機控制系統，進行了實驗研究。圖2為采用示波器測量的電機從靜止達到給定轉速的波形，從圖中可以看出，開關磁阻電機能夠在較短的時間內達到給定轉速，而且轉速輸出非常穩定。

4 結論

本文主要研究了基于STM32F051的開關磁阻電機的直接瞬時轉矩控制，分析了開關磁阻電機的工作原理以及其在硬件電路中的實現，在STM32F051芯片中實現了對外部電壓的采集和開關磁阻電機的PWM驅動波形。另外通過硬件實驗平臺的搭建，進行了試驗并獲得了相關的波形，實驗結果驗證了本文所設計的基于STM32F051的開關磁阻電機直接瞬時轉矩控制方法能夠有效的抑制轉矩脈動，控制SRM穩定運行。

參考文獻：

[1]孫建忠，李墨竹，孫斐然.開關磁阻電機的直接瞬時轉矩控制研究[J].電源學報，2012，40（2）：21-24.

[2]漆漢宏，張婷婷，李珍國.基于DITC的開關磁阻電機轉矩脈動抑制仿真研究[J].電工技術學報，2009，7（10）：3133-3138.

[3]李廣海.開關磁阻電機及其控制策略研究[D].浙江大學，2004.

[4]Inderka R.B.，De Doncker R .W.A.A..DITC-direct instantaneous torque control of switched reluctance drives[J].Industry Applications，IEEE Transactions on，2003，39（4）：1046-1051.

[5]Husain I..Minimization of torque ripple in SRM drives[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2002，49（1）：28-39.

[6]Fuengwarodsakul， S. E.Bauer.Sensorless direct instantaneous torque control for switched reluctance machines[C].European4.