基于ARM的開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)

鮑遠(yuǎn)慧， 段 瓊， 楊艷麗

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)是電機技術(shù)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微機控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于SRM結(jié)構(gòu)簡單，沒有換向器和電刷，轉(zhuǎn)子沒有繞組，同時還有價格低、效率高、機械特性硬等優(yōu)點，目前已經(jīng)在多個工業(yè)部門得到應(yīng)用［1］。在當(dāng)前的SRM控制領(lǐng)域中，專用數(shù)字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)，占據(jù)著重要位置，而嵌入式ARM芯片近年來發(fā)展迅速，在電機控制方面發(fā)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(shè)計出SRM控制系統(tǒng)(Switched Reluctance Motor Drive，SRD)硬件電路及軟件控制策略。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

SRD從結(jié)構(gòu)上可分為SRM和控制系統(tǒng)兩部分。SRM為電機本身結(jié)構(gòu)，一般還包括位置傳感器。控制系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SRD結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)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(xié)調(diào)整個系統(tǒng)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(jié)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(yīng)的指令，來控制主電路，使得SRM運行在給定的狀態(tài)，并在這期間完成相應(yīng)的通信、顯示、保護(hù)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(guān)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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括三相12/8 SRM、功率變換器及驅(qū)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(hù)電路等。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控制器

選用ARM控制器LPC2214作為控制系統(tǒng)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(yōu)點。LPC2214具有144管腳封裝，極低的功耗，16 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，256片內(nèi)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(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)輸出，實時時鐘和看門狗，2個標(biāo)準(zhǔn)UART，高速I2C接口，2個SPI接口，通過配置總線可達(dá)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(qū)動電路

SRD的功率變換器電路結(jié)構(gòu)有很多種，不同結(jié)構(gòu)電路的主開關(guān)器件數(shù)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(guān)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(guān)和續(xù)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(dāng)一相功率開關(guān)TA和TA'同時導(dǎo)通時，經(jīng)A和A'向電機A相繞組通電。當(dāng)TA和TA'同時關(guān)斷時，該相繞組通過續(xù)流二極管DA和DA'向電容器C續(xù)流和回饋能量，并使電流迅速降至零。選擇功率開關(guān)與電機繞組串聯(lián)，不會出現(xiàn)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(tǒng)中選用IGBT作為主開關(guān)元件，由于控制器輸出的弱電信號并不能直接驅(qū)動IGBT導(dǎo)通關(guān)斷，它們之間還需要驅(qū)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(qū)動電壓上，以此來導(dǎo)通關(guān)斷IGBT。另外對器件或整個裝置的一些保護(hù)措施也往往通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)，驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，集成化的IGBT專用驅(qū)動模塊已大面積使用，比起常規(guī)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(tǒng)選用美國IR公司生產(chǎn)的驅(qū)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(qū)動兩個功率半導(dǎo)體器件MOSFET或IGBT，動態(tài)響應(yīng)快、驅(qū)動能力強、工作頻率高——兼有電氣隔離和電磁隔離的優(yōu)點［5］。一相功率開關(guān)的驅(qū)動電路如圖4所示，以IR2110為核心的電路構(gòu)成主開關(guān)TA、TA'的驅(qū)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(qū)動脈沖信號輸入端，此處由于SRM兩個開關(guān)管是獨立開通和關(guān)斷，因此兩路控制信號完全獨立。SD為保護(hù)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(gòu)成的三相不對稱半橋式功率變換器來說，采用3片IR2110驅(qū)動3個橋臂，通過控制器LPC2214的PWM輸出可為功率主開關(guān)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

圖4 一相功率開關(guān)的驅(qū)動電路

2.3 位置檢測電路

位置檢測部分是控制系統(tǒng)主要組成部分之一，其主要目的是檢測定、轉(zhuǎn)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(dǎo)通和關(guān)斷。系統(tǒng)采用光電式位置傳感器，光電位置傳感器由光電開關(guān)K(發(fā)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(guān)檢測轉(zhuǎn)子位置，三個光電開關(guān)之間的夾角可為最小7.5°。三相12/8 SRM的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xì)分電路送入到LPC2210的捕獲單元CAP0進(jìn)行計數(shù)，可以實現(xiàn)角度細(xì)分控制。一路送入CAP1單元進(jìn)行記錄兩次信號變化的時間間隔，由此可以確定電機轉(zhuǎn)子的位置，并通過捕獲一個完整的周期，在捕獲中斷之內(nèi)算出方波周期，可用T法計算出電機的轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)確地控制各相的開通和關(guān)斷。另一路經(jīng)f/U頻壓轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變成電機的實際轉(zhuǎn)速信號，與給定的轉(zhuǎn)速信號比較后進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖5 三相基本位置信號

2.4 電流檢測電路

SRD要實現(xiàn)低速電流斬波控制、主開關(guān)過流保護(hù)等，就須對主電路的電流進(jìn)行實時檢測。系統(tǒng)采用CSM025A型電流傳感器，它是利用霍爾效應(yīng)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(zhuǎn)換器輸入口，從而實現(xiàn)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(tǒng)中的控制器須同時實現(xiàn)各種故障的檢測、保護(hù)和顯示，包括主開關(guān)元件IGBT的保護(hù)、直流側(cè)過電壓欠電壓保護(hù)、過熱保護(hù)及過電流保護(hù)等。過壓、欠壓和過流保護(hù)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(fā)出故障信號。過熱保護(hù)電路中可使用溫度傳感器AD590進(jìn)行溫度測量，設(shè)計電路將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后送入比較器與給定值進(jìn)行比較，并且在發(fā)生過熱時向控制器發(fā)出故障信號。LPC2210在接到各種故障信息時，一方面關(guān)斷各相IGBT，實現(xiàn)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(fù)位電路重新進(jìn)入正常運行狀態(tài)。系統(tǒng)通過軟、硬件相結(jié)合，既可以保護(hù)電路，又能增強系統(tǒng)可靠性。

圖6 SRM一相電流檢測電路

系統(tǒng)中，所有對電機的控制命令和檢測數(shù)據(jù)都是使用上位機軟件通過串口發(fā)送給ARM來執(zhí)行的，因此串口通信的設(shè)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(jìn)行ISP操作實現(xiàn)的，采用SP3232E作為RS－232電平與CMOS電平的轉(zhuǎn)換。LPC2214與上位機通信如圖7所示。

圖7 LPC2214與上位機通信

系統(tǒng)中的鍵盤輸入電路要完成正/反轉(zhuǎn)、加/減速、確定、停止、0～9的數(shù)字輸入、退格等功能，所以使用I2C接口的鍵盤與LED驅(qū)動芯片ZLG7290，設(shè)計有18位按鍵的鍵盤輸入電路。

系統(tǒng)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(shù)據(jù)均通過模塊上的DB0－DB7接口實現(xiàn)。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(hù)電阻。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

3.1 上位機軟件設(shè)計

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

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

要使控制系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運行，離不開程序的可靠執(zhí)行。系統(tǒng)軟件控制程序主要由主程序、服務(wù)子程序和中斷處理子程序構(gòu)成。本文通過移植源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ來管理整個控制系統(tǒng)的運行，它具有多任務(wù)性、實時性等優(yōu)點。要構(gòu)建整個下位機控制系統(tǒng)軟件框架，首先對μC/OS-II和各硬件部分進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置，如圖8所示。然后進(jìn)行多任務(wù)的創(chuàng)建，對整個下位機實現(xiàn)的功能進(jìn)行任務(wù)分割，并根據(jù)實際需要為各個任務(wù)分配優(yōu)先級，各個任務(wù)是通過搶占CPU的使用權(quán)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(wù)模塊的劃分如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)初始化

圖9 多任務(wù)模塊的劃分

μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)調(diào)用OSInit()函數(shù)對操作系統(tǒng)運行環(huán)境進(jìn)行初始化，再調(diào)用OSStart()函數(shù)起動操作系統(tǒng)，然后根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級別對它們進(jìn)行實時調(diào)度和管理，以實現(xiàn)對SRM的電流、速度的控制。

4 結(jié)語

基于ARM的SRD能夠以較小的系統(tǒng)投入解決SRM的控制問題，控制能力較強，將系統(tǒng)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(huán)狀態(tài)下，使電機換相準(zhǔn)確，運行良好，LPC2214以其強大的控制能力在SRD中表現(xiàn)出其巨大的優(yōu)越性，實時操作系統(tǒng)的引入將提高系統(tǒng)整體性能，使電機的控制更加可靠、高效和完善。

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