基于Cortex M3處理器的開關磁阻電機控制器設計

開關磁阻電機SRM（Switched Reluctance Motor）是隨著電力電子、微電腦和控制技術的迅猛發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型調速驅動系統(tǒng)，具有結構簡單、運行可靠及效率高等突出特點，成為交流、直流和無刷直流電動機調速系統(tǒng)強有力的競爭者，引起各國學者和企業(yè)界的廣泛關注[1]。

本文以32位ARM Cortex M3內核的高性能微處理器STM32F103為核心，設計實現(xiàn)了低壓SRM控制器，具有高性能和低成本的特點。所控制的SRM為三相12/8極結構。控制器設計指標為：額定工作電壓48 V，功率500 W，轉速1 300 r/min。

1 SRM控制系統(tǒng)

1.1 SRM驅動系統(tǒng)
SRM驅動系統(tǒng)主要由SRM和控制器兩大部分組成。本文所設計的控制器包括處理模塊、功率變換器和檢測模塊等部分。處理模塊根據(jù)反饋回來的SRM相電流及位置檢測信號控制功率變換電路內部開關管的導通時間和關斷時間，從而控制SRM的電磁轉矩、轉速與轉向[2]。其結構如圖1所示。


1.2 控制器設計

1.2.1 處理器模塊

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

STM32F103主頻72 MHz，計算性能1.25 DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法。內置模塊包括2個16通道12 bit DC、32 KB~128 KB零等待周期閃存程序存儲器、6 KB~20 KB SRAM、7個定時器；-40 ℃～+105 ℃的工業(yè)級溫度范圍。適用于電機數(shù)字控制、工業(yè)自動化、數(shù)據(jù)采集和遙測等領域。

本文采用了STM32F103的3個Timer端口與內置在SRM內的3個霍爾位置傳感器一一相連，用以采集轉子的位置信息，并以此來計算SRM的轉速。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，以及轉把內置霍爾傳感器。采用3路PWM信號連接到功率變換器作為功率變換器的上開關管驅動信號，3路I/O信號作為下開關管驅動信號。

1.2.2 功率變換器

采用三相不對稱半橋式結構設計功率變換器，開關管采用大電流MOSFET功率器件IRF540，額定電流28 A，額定電壓100 V。所設計的不對稱半橋的電路圖如圖2所示。MOSFET的柵極驅動采用了大電流光耦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現(xiàn)反饋模塊。

采用四通道比較器芯片LM339設計三相電流遲滯斬波電路，如圖3所示。內部產生參考電壓后與電流反饋電路采集到的電壓信號進行比較，再根據(jù)斬波要求輸出控制開關管的信號，從而達到斬波的控制目的。


2 控制軟件設計

本設計中軟件程序主要包括主程序、初始化子程序、中斷服務子程序。按需要實現(xiàn)的功能，可分為位置檢測模塊、反饋控制模塊、換相控制模塊。這些功能模塊都是通過中斷服務程序實現(xiàn)的。而模塊化的編程處理方法使得程序之間的關聯(lián)最小化，以利于程序的調節(jié)和完善。

2.1 SRM運行模式

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

SRM在高速運行時，常采用改變θon、θoff的角度位置控制(APC)方式來完成轉矩和調速調節(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/停止/轉向）、轉速調節(jié)、PWM輸出以及I/O口選相信號的輸出等。操作輸入處理用來處理由控制面板輸入的啟動、停止、轉向以及加減速等信號。轉速調節(jié)先計算速度偏差以及偏差變化率，然后計算出PWM的占空比，并由定時器TIM3產生PWM信號輸出，對電機速度進行控制。I/O口的換相信號輸出根據(jù)反饋的位置信號來選擇某一相通電，驅動電機運轉。

速度反饋環(huán)設計在主程序中運行，根據(jù)采樣時間判斷當前的狀態(tài)，然后根據(jù)時間計算當前的速度并由此得到所需的占空比，然后輸出PWM驅動SRM運轉。

采用中斷子程序來實現(xiàn)對于實時性要求較高的功能，包括位置信號捕獲中斷子程序和定時器中斷子程序。

2.3 換相控制

從SRM電機本體上安裝的位置傳感器產生3路信號傳給CPU，系統(tǒng)使用是軟件中斷和查詢方式相結合的中斷方式，以準確讀取位置信號，然后該服務中斷程序根據(jù)這3個位置信號電平的值給對應的MOS管導通信號。

3 測試及結果分析

測試環(huán)境包括12/8結構的500 W SRM電機一臺，所設計的控制器為100 V 50 kVA直流電源系統(tǒng)，負載為ZF200 KB電磁測功機。

3.1 0.5 Nm輕載，1 250 r/min測試

圖4為輕載時A相位置、上下管驅動及相電流信號。上管采用PWM調節(jié)電流，下管負責開關換相。此時PWM占空比很小，有效電流不會導致進入斬波模式，電流波形為階梯式上升和下降。


3.2 3.5 Nm重載，700 r/min測試

圖5為重載時A相位置、上下管驅動及相電流信號。此時上管仍采用PWM調節(jié)電流，下管負責開關換相。此時PWM占空比很大，有效電流導致進入CCC模式。

圖6為重載時A、B、C三相電流信號及A相電壓信號。當上下主開關管同時導通時，此時繞組的電壓與電源電壓相等；當上管關斷，下管打開時由于續(xù)流二極管的作用使得繞組兩端等電位，由此測得此時的相電壓為0；當上、下管全部關斷時，繞組電流通過續(xù)流二極管返還給電源，此時電壓為反向偏壓。當繞組電能釋放完畢時，其繞組兩端電壓為零。

本文采用ARM Cortex M3內核芯片STM32F103設計了三相12/8極SRM控制器。測試表明，所設計的系統(tǒng)能實現(xiàn)不對稱半橋結構功率變換器的驅動，繼而可用于實現(xiàn)CCC、APC等系統(tǒng)控制模式。