基于MCF5213的開關磁阻電機控制系統設計

謝方南， 朱莉莉， 劉俊純

(中國礦業大學信電學院，江蘇徐州 221008)

0 引言

開關磁阻電機調速(Switched Reluctance Drive，SRD)［1-2］系統是一種新型可控調速系統，其具有結構簡單、調速性能優良、輸出特性變化靈活等優點。但是SRD自身具有嚴重的非線性特性［3］，使得建立其精確數學模型的計算相當繁瑣［4］。常規的線性系統控制方法和傳統的低端微控制器［5-6］難以取得理想的動、靜態性能。隨著現代控制理論在SRD系統中的應用逐漸增多，以及微電子器件的飛速發展，為SRD系統的高性能控制提供了可能。

本文以三相12/8極、500 W開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)為控制對象，設計了以MCF5213為核心的SRM控制系統，這是一款集成了數字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)的計算能力和微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)的控制器特性的數字控制器［7］。本文詳細介紹了系統的硬件結構和軟件實現方法，并通過試驗驗證了方案的可行性。

1 SRD系統組成

SRD控制系統主要由SRM、功率變換器、控制器和位置檢測器及電流檢測器組成，系統結構如圖1所示。

圖1 SRD控制系統結構示意圖

SRM是SRD實現機電能量轉換的執行元件，其運行遵循磁阻最小原理，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，由磁場扭曲產生切向磁拉力，從而產生磁阻性質的電磁轉矩。

該系統采用三相不對稱半橋功率變換電路，其結構如圖2所示。

圖2 三相不對稱半橋結構

相橋臂均由兩個主開關管和兩個續流二極管構成。在電壓脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)斬波控制方式下，考慮單管斬波的電流波動比雙管斬波小，為了減小轉矩脈動，該系統采用每相的上開關管V1、V2、V3的驅動信號為 PWM斬波信號，下開關管V4、V5、V6的驅動信號為各相的位置開通關斷信號。其工作原理以A相為例，每相有兩個主開關管 V1、V4及續流二極管VD1、VD4。在開通期間，主開關管V1和V4導通，PWM信號斬波時，V1關斷，相電流 iA經 V4和VD1續流;關斷換相期間，V1和V4關斷，相電流經兩只續流二極管VD1和VD4續流。

控制器是根據控制指令綜合處理由位置檢測器和電流檢測器傳輸的轉子位置信號及相電流信號的中樞，通過控制功率變換器中主功率開關器件的工作狀態，實現對SRM運行狀態的控制。

2 控制系統的硬件結構

MCF5213是飛思卡爾半導體公司推出的基于ColdFireV2內核的32位微處理器。其具有集成度高、運算速度快等優點，為實現較復雜的控制算法提供了可能，使系統的控制性能得以保證。同時它提供了許多外圍模塊，如PWM模塊、模數轉換器(Analog Digital Converter，ADC)、定時器、串行通信外設(UART、QSPI、IIC)以及片上 Flash和RAM，使芯片的使用效率得到了較大提高，大量簡化了系統的硬件配置。基于MCF5213的SRM控制系統的硬件結構如圖3所示。

圖3 基于MCF5213 SRM控制系統

2.1 最小化系統

系統的最小化系統主要包括電源及其濾波電路、復位電路、晶振電路及PLL濾波電路、寫入器接口電路等。

2.2 位置及速度檢測

位置檢測的目的是確定定子和轉子的相對位置，然后將位置信號送到控制器，以確定相繞組的通斷，并且實現轉速閉環控制。MCF5213的通用定時器具有輸入捕捉、輸出比較功能。輸入捕捉功能可以檢測信號的跳邊沿并記錄發生跳變的時間，輸出比較功能可以在規定的時刻，產生一個期望的輸出信號，實現對外部電路的控制。光敏傳感器輸出的轉子位置信號經過整形后接入到輸入捕捉引腳，通過記錄轉子信息的連續跳變沿，利用軟件計算輸入信號的周期和脈寬，得到電機的實時轉速。同時，根據位置傳感器產生的脈沖信號經過微處理器的邏輯判斷處理，利用定時器的輸出比較功能，在規定的時刻輸出需要的功率開關的驅動信號，調整開關管的開通、關斷角。

2.3 電流檢測

電流檢測電路通過霍爾檢測元件(LEM模塊)來檢測繞組電流和主電源回路電流，實現SRM運行狀態控制及電機過電流保護。MCF5213內含有8通道12位A/D轉換模塊，A/D轉換的時鐘頻率最高為5 MHz，采樣速率高達1.66×106/s，8路A/D轉換總時間只要26.5個ADC時鐘周期(5.3 μs)。檢測電流經過隔離放大與MCF5213的A/D轉換單元連接，實現電流的實時檢測。系統的給定速度也可以從ADC引腳讀取。

2.4 PWM輸出

MCF5213內置了功能強大的PWM控制器，PWM模塊能夠配置為4通道16位或8通道8位的PWM發生器，所有通道都可以軟件編程。PWM的每個通道都是獨立的，都可以產生不同占空比的PWM波形。輸出的波形可以是左對齊或者中間對齊格式。通過程序設置可以產生頻率固定、占空比可控的PWM信號。在電壓PWM控制方式下，通過PWM技術將直流電源調制成具有一定頻率、寬度可調的方波脈沖電壓，用來調節電機繞組兩端外加電壓的大小，單片機把檢測到的SRM實際轉速與給定轉速相比較，通過模糊調節器調制PWM脈沖的占空比，使該占空比與保持給定轉速所需要的電壓大小相對應，實現對SRM的調速控制。

2.5 上位機通信

MCF5213自帶通用異步收發器，支持半雙工和全雙工的數據傳輸。通過RS－232串行通信協議與上位機通信，實時監控電機運行的轉速、電流等。同時，上位機也可以發送指令給單片機，控制SRM的運行。在用RS－232總線進行串行通信時，需要外接電路實現電平轉換。由于MCF5213采用3.3 V供電，故系統選用單一3.3 V供電的SP3232芯片實現上位機和單片機的通信。

3 控制策略與軟件設計

3.1 控制策略

由于SRM模型嚴重的非線性，在不同的控制方式下，其參數、結構都是變化的，普通定參數的PID調節器難以達到理想的控制效果。為了獲得良好的SRD調速性能，采用一種魯棒性能好，適合于非線性、變結構系統的模糊控制。

對SRD的三個可控參數相繞組電壓Us、開通角θon和關斷角 θoff，系統通過模糊控制器調節PWM信號的占空比，控制相應繞組相電壓，實現轉速閉環控制，另外兩個參數θon、θoff是轉速和相電流的函數，在運行中應不斷加以調整，以優化系統性能。因此，該系統采用角度控制與電壓PWM斬波相結合的控制方式。

模糊控制器采用雙輸入、單輸出結構，輸入量為轉速偏差e和偏差變化量Δe，輸出量為電壓PWM控制信號占空比增量u。原理框圖如圖4所示。

圖4 模糊控制器原理框圖

圖4中，Ge和 GΔe為量化因子，Gu為比例因子，E和ΔE分別為輸入量e和Δe模糊化后的模糊子集，U是輸出量u的模糊子集。則控制策略可以用一組模糊條件語句描述:

由模糊推理合成規則，得到輸出控制量模糊集。經解模糊求得輸出控制增量U，將其乘以比例因子Gu，得到實際輸出PWM占空比增量u。

為了提高系統的調速控制精度，單片機初始化時將PWM通道配置為16位的發生器，提高PWM波的分辨率，從而大大提高了模糊控制器的輸出量，即PWM占空比增量u的分辨率，使得系統調速性能更加穩定、精確。同時，為了提高系統的響應速度，當電機實際轉速與給定轉速相差較大時，將模糊輸出的PWM占空比增量u擴大一定的倍數，作為實際輸出的占空比增量，并且在一定時間內增加調用模糊程序的次數，這樣就縮短了獲得與給定轉速相應的占空比調節時間，達到快速響應的調速目的。

通過改變開通角和關斷角，可控制繞組中的電流大小和波形形狀，從而影響輸出轉矩的大小和正負，有效調節SRM的輸出功率和轉矩，實現SRM的優化控制。

3.2 軟件設計

控制系統的軟件主要由初始化程序和MCF5213控制程序等組成。初始化程序在主程序里調用，控制程序在中斷服務子程序中完成。控制系統主程序流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統主程序流程圖

初始化程序主要包括:軟件變量定義及賦值、控制寄存器設置、中斷向量定義、時鐘頻率設定、PWM初始化、A/D轉換初始化、I/O初始化、UART初始化、外部中斷初始化及各功能模塊的初始化。

MCF5213控制程序是整個系統軟件的核心組成部分，包括起動子程序、轉速計算中斷服務子程序、轉速控制中斷服務子程序、PWM模糊調制子程序、串口中斷服務子程序、上位機通信子程序、液晶顯示子程序、停車子程序等。

系統在改變開關角時無需添加任何硬件，直接利用定時器的輸入捕捉、輸出比較功能即可實現，其程序流程圖如圖6所示。

當定時器的輸入捕捉引腳捕獲到位置信號的跳變沿時，進入中斷。在輸入捕捉中斷程序中，記錄當前跳變沿發生時的計數器值，并與上次發生跳變時的計數器值相比較，計算出位置信號的周期，從而得到每度轉子位置信號對應的計數器值。根據所要調整的開通、關斷角，設置定時器的輸出比較值，并允許發生比較中斷，在輸出比較中斷程序中，調整各開關管的開通、關斷驅動信號，實現SRM調速的變角度控制。

圖6 角度控制程序實現流程圖

4 試驗結果

圖7(a)、(b)、(c)分別是給定轉速為400 r/min、800 r/min及1 200 r/min時的電機實際轉速動態測試曲線及其相應的相電流波形。

圖7 各轉速下的系統實時動態測試曲線及其相電流波形

試驗結果顯示在采用模糊調制PWM占空比方式下，電機能夠在較大的調速范圍內較快地達到給定轉速，且超調較小。

圖8(a)、(b)分別為SRM轉速為800 r/min的情況下，采用全角度運行(即開通角θon為0°，關斷角 θoff為22.5°)和采用變角度運行方式下(即開通角提前2°，關斷角提前6°)的輸出波形圖。圖中示波器3個通道分別表示一相位置信號UPA、該相的MCF5213輸出的驅動信號UGA，以及該相的電流信號iA。UPA、UGA縱坐標為10 V/格，iA縱坐標 12 A/格，橫坐標均為 2.5 ms/格。圖8(a)、(b)中電流峰值分別為 18.32 A、19.68 A。

圖8 轉速為800 r/min時位置信號、驅動信號及電流波形

由圖8可見θon減小，電流峰值ip增大，同時電源供電時間加長，有效電流增大。θoff的提前可有效減少制動轉矩，從而得到較大的有效轉矩。

5 結語

本文分析的SRD系統充分利用了MCF5213單片機的高速運算能力和豐富的外圍集成模塊，系統結構簡單緊湊、控制靈活，提高了系統的可靠性，實現了SRM的數字化控制。試驗結果表明，該調速系統具有良好的靜態特性和動態性能，抗干擾性好，控制精度高;能夠在電機運行的高速階段實現角度位置控制，有效減少運動反電動勢，實現電機的優化控制;同時也說明設計的基于MCF5213的SRM控制系統可以作為實現各種控制策略的試驗平臺。

［1］陳昊.開關磁阻調速電動機的原理設計應用［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2000.

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