開關磁阻電機控制系統軟件設計

興志

摘 要：首先介紹了開關磁阻電機基本原理及基本控制策略，在此基礎上實現了基于ARM Cortex M3內核的微處理器STM32F103上的軟件設計。軟件是經典的前后臺系統，實現了開關磁阻電機控制系統的調速及各種保護功能。相較于現有控制系統軟件設計的多中斷情形，該軟件設計在所有功能均滿足的情形下，兼顧程序的精簡性及可擴充性，僅使用一個定時中斷，并解決了由于多中斷的軟件設計導致的電流斬波偏高的問題，獲得較理想的電流斬波效果。

關鍵詞：開關磁阻電機 控制策略 軟件設計 電流斬波

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

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展而出現的一種新型調速系統，具有結構簡單、運行可靠及效率高等突出優點，成為交流、直流和無刷直流電動機調速系統強有力的競爭者，引起各國學者和企業的廣泛關注。

1 基本控制策略

開關磁阻電機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。

電流斬波控制的優點是可限制電流峰值的增長，保護開關器件的安全，并起到良好有效的調節效果，因此適用于低速調速系統。當相電流超過約定的上限電流值時，則主開關關斷，當相電流低于約定的下限電流值時，則組合開關開通，從而實現電流斬波控制效果。

電壓PWM控制是通過調整占空比，來調節相繞組的平均電壓，以改變相繞組電流的大小，從而實現轉速和轉矩的調節，電壓PWM控制的特點是通過調節相繞組電壓的平均值，進而能間接地限制和調節相電流，因此既能用于高速調速系統，又能用于低速調速系統，而且控制也較簡單。

角度位置控制是指對開通角和關斷角的控制。它的實質就在于輸入電壓保持不變而通過改變主開關的開通角和關斷角來調節電流，以達到調節電機轉矩的目的。角度控制的優點是轉矩調節范圍較大，可允許多相同時通電，以增加電機輸出轉矩，可實現效率最有控制和轉矩最優控制。

為了實現開關磁阻電機良好的調速性能，該軟件設計采用以下組合控制策略，即電機基速以下運行時，采用電流斬波控制方式；在中低速下，采用電壓PWM控制方式；而在高速運行時，采用角度位置控制方式。

2 軟件設計

軟件采用前后臺系統作為軟件框架，分為主程序和中斷程序兩部分，相較于現有控制系統軟件設計中的多中斷程序，該軟件設計僅采用了一個定時中斷，是程序更簡潔，增加了程序的可讀性及可移植性，同時也有利于程序的進一步擴充與完善。現有控制系統軟件中多數使用多中斷設計，其中包括計算電機轉速使用的捕獲中斷，獲取電機位置使用一路或兩路外部中斷，電流采樣時使用的DMA中斷，以及一至兩個定時中斷，這些中斷不僅增加了程序的復雜性，同時也降低了軟件的可靠性。

在軟件設計中，重點和難點就是如何獲得較好的斬波效果，而軟件設計的好壞直接影響了斬波效果的好壞。在現有的軟件設計中，一般是將各相電流通過ADC采樣，再經DMA通道傳輸，同時產生一個DMA中斷，然后在一個定時中斷（定時中斷時間一般為50us至100us）中實現電流斬波。而這種設計會產生兩個問題。其一，因為要實現其他功能，定時中斷時間不能進一步縮短，而這對電流斬波而言，時間間隔又太長，以50us為例，電流可能會在50us的時間中上升40A。其二，DMA中斷優先級要高于定時中斷，這可能會導致定時中斷的執行被DMA中斷打斷，進一步延長了電流斬波的時間間隔，會導致電流斬波效果進一步惡化，由于斬波時間間隔過長，導致電流斬波上限偏高。

該軟件設計僅使用一個10us定時中斷，相較于現有控制系統軟件的多中斷程序更簡潔。中斷程序主要功能是實現定時器更能，獲取電機位置、計算電機速度，計算轉子角度及讀取相繞組電流值并實現電流斬波功能。中斷程序框圖如圖1所示。

控制器STM32F103有16個12位的AD轉換通道，可對電機各相繞組電流進行采樣，將電流采樣值通過DMA通道直接傳輸到存儲器，將電流值與約定的電流上下限值比較，決定是否斬波，實現電流斬波功能。由于該軟件設計采用一個定時中斷，且縮短了定時中斷的時間間隔，避免了由于多中斷設計導致的電流斬波時間間隔過長的問題，能夠獲得較好的電流斬波效果。

3 測試結果與分析

測試環境為12/8結構1kW SRM一臺，直流穩壓電源和電磁測功機及相關測試工具。測試結果表明，該軟件系統具有良好的控制性能，能夠按照預定的控制策略完美運行，且能對控制系統實現所需的保護功能。并且由于新的軟件設計相較于現存的軟件，僅采用一個定時中斷，且中斷時間大為縮短，獲得了良好的電流斬波效果。

參考文獻

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