關于開關磁阻電機調速系統(tǒng)的軟件架構設計

摘要：隨著電力電子技術、微電子技術和控制理論的迅猛發(fā)展，開關磁阻電動調速系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，正逐步從理論研究走向行業(yè)應用。目前主要采用交流調速系統(tǒng)和直流有刷調速系統(tǒng)。這兩種調速系統(tǒng)都存在制造成本高、效率低等問題，并且目前仍然沒有合適的解決方法。開關磁阻電機調速系統(tǒng)憑借自身高速高效、穩(wěn)定可靠、過載能力強等特點，有望彌補升降設備現(xiàn)有調速系統(tǒng)的不足，在升降設備中取得良好的應用。論文首先闡述了開關磁阻電機工作原理，然后具體介紹了開關磁阻電機的軟件架構，根據(jù)電機的實際磁鏈數(shù)據(jù)，在Matlab/Simulink 仿真環(huán)境下建立了開關磁阻電機的仿真系統(tǒng)，針對電機重載啟動、最佳開通區(qū)間運行以及制動運行等工作狀態(tài)做了仿真。

關鍵詞：開關磁阻電機調速系統(tǒng) PID建模 仿真

中圖分類號： TD614 文獻標志碼 A

Abstract

With the rapid development of the power electronics， micro-electronics and control theory， SRM（Switched Reluctance Motor） control system has a quick development，moving from theory to industrial applications. In the field of lifting equipment， AC and DC motors are widely used. However these two motors have some weakness in high manufacturing costs， low efficiency， and there is still no proper solution.With its high efficiency， stable and reliable， overload capacity and other characteristics， SRD system will be used in lifting equipment to make up for the deficiencies.

At first，this paper describes the working principle of SRM，and analyze the control strategy of electric， brake， and speed control ，which is based on the basic equation and the linear model of the motor. Then a simulation system of SRM based on the actual motor flux data is established in Matlab / Simulink environment to simulate heavy motor starting， brake operation and speed regulate based on fuzzy PID controller etc.

1研究背景和意義

升降設備的應用非常廣泛，已經(jīng)使用于家電制造、食品加工、飲料生產(chǎn)、煙草輸送、化工生產(chǎn)、郵政、機械電子制造、倉儲物流、建筑等自動化生產(chǎn)行業(yè)和旅游觀光、高樓大廈、私人住宅、大型舞臺等人類的生活娛樂方面。80%的升降設備采用電機調速系統(tǒng)作為設備的動力系統(tǒng)。目前升降設備中應用的調速系統(tǒng)主要有交流電機調速系統(tǒng)和直流電機調速系統(tǒng)，見圖1-1。

圖1-1升降設備調速系統(tǒng)

交流調速系統(tǒng)主要包括交流雙速系統(tǒng)、交流調壓調速（ACVV）系統(tǒng)和變壓變頻（VVVF）系統(tǒng)。這種調速系統(tǒng)的優(yōu)點是：控制電路簡單，元器件少，工藝簡單，成本低；同時，在任何轉速下轉差功率保持不變，效率很高。該調速系統(tǒng)的缺點是：乘坐人員舒適感較差，速度較低，故障率較高。

直流調速系統(tǒng)主要包括有刷電機調速和永磁直流無刷電機調速等。有刷電動機轉速與轉矩、電流的關系是線性的，電機的機械特性是直線，因此該電機廣泛地應用于大范圍平滑調速的設備中。目前，在超高速電梯中，直流電機仍占相比例。但是直流電機調速系統(tǒng)也具有以下缺點：

（a）有刷直流電機通常結構復雜，這會導致調速系統(tǒng)成本增加，故障增多。

（b）機械換向器限制了電機的容量、電壓和速度，同時還容易產(chǎn)生火花。

（c）電樞在轉子上，這降低電機效率，惡化電機散熱情況。

開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的電動機結構緊湊牢固，適合于高速運行，并且驅動電路簡單成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內(nèi)效率都比較高，而且可以方便地實現(xiàn)四象限控制。這些特點使SRD開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)很適合升降設備的各種工況下運行，是升降設備中極具有潛力的機種。開關磁阻電動機調速系統(tǒng)的特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）起動電流小；

2）運行效率高；

3）系統(tǒng)安全可靠﹑壽命長；

4）過載能力強；

5）系統(tǒng)性價比高。

2 開關磁阻電機的軟件設計

該系統(tǒng)采用STM32F103系列處理器作為主控制器，該處理器是ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能處理器。該系列處理器最高工作頻率可達72MHZ，并具有1.25Mips/MHZ的運算能力，滿足開關磁阻電機在高速運行時實時計算的要求，處理器自帶512K字節(jié)的閃存處理器和最大64K字節(jié)的SRAM，滿足該系統(tǒng)的軟件設計要求。同時該系列處理器集成了一些專門的外設，如用于檢測電機位置信號三相霍爾傳感器和正交編碼器接口、用于電機控制的脈寬調制模塊PWM、12位高速A/D轉換器、通訊模塊（SPI、UART、CAN）、通用I/O引腳等。處理器采用3.3V電源供電，且I/O與5V的TTL電平兼容；片上自帶JTAG仿真器調試接口，允許在系統(tǒng)設計過程中隨時進行調試，并可對軟件進行實時調試。多種適合電機控制的專業(yè)外設大大縮短了開發(fā)周期。

該系統(tǒng)軟件主要采用C語言編程，實現(xiàn)模塊化設計，增加了程序的可讀性和移植性。該系統(tǒng)控制軟件主要完成以下功能：

電機起動無死區(qū)，啟動轉矩足夠大；能實現(xiàn)提升階段的電動運行和下降階段的制動運行。

實時、精確地計算電機轉速，通過模糊PID調節(jié)器，調節(jié)PWM波形的占空比，實現(xiàn)電壓斬波控制，控制電機轉速平穩(wěn)。

提升階段電機起動時采用雙相啟動方式，中速運行時采用PWM控制，并能實現(xiàn)這兩種控制狀態(tài)之間的平滑過渡。下降階段電機轉速到達設定轉速時開始啟動制動

具有一定的保護功能，當電機運行時出現(xiàn)過流和堵轉等故障情況時，及時的做出相應保護動作，保護電動機和控制電路。

開關磁阻電機控制器最核心的任務是控制電機換相，在額定轉速時，電機轉子每轉過一個周期僅僅需要5ms左右的時間，也即每900us的時間位置信號就會發(fā)生一次變化?？刂七壿嫗榱四軌蚣皶r控制電機換相，至少每900us就要產(chǎn)生一次中斷。如果軟件使用實時操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)本身需要占用一定的存儲資源和一定的運行時間，容易造成對中斷的響應不及時，從而造成電機控制偏差。此外電機控制器人機接口簡潔，系統(tǒng)任務量少但實時性要求高，不能夠發(fā)揮出實時操作系統(tǒng)多任務調度和管理的優(yōu)勢。因此，在本文中采用前后臺系統(tǒng)作為軟件的主要框架，主程序完成系統(tǒng)的初始化并進入循環(huán)等待，各個中斷完成電機的換相以及速度調節(jié)等功能。

系統(tǒng)初始化主要完成：STM32中所用模塊的初始化，包括時鐘管理、中斷管理器的配置、通用輸入輸出GPIO、定時器模塊、A/D轉換模塊和脈寬調制模塊PWM。系統(tǒng)狀態(tài)自檢是通過分別給上開關管和下開關管短時間通電，根據(jù)相電流來判斷是否存在有開關管燒毀的情況，如果存在電流過大的情況，則有開關管已經(jīng)短路，程序給出報警信號并退出運行。

如果所有開關管均正常，沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象，主程序打開系統(tǒng)時鐘中斷，掃描鍵盤輸入。如果鍵盤沒有輸入或者輸入停止命令，則循環(huán)等待鍵盤輸入；如果鍵盤輸入提升或者下降命令，則初始化運行時參數(shù)，并且打開控制電機轉動的中斷。電機啟動以后，主程序不斷循環(huán)掃描鍵盤命令，如果接收到停機命令，則關閉所有驅動信號，并且關閉控制電機轉動的中斷，等待下一次電機啟動命令。主程序流程圖如圖2-1所示。

圖2-1 主程序流程圖

3模糊PID建模及仿真

模糊控制器輸出KP、KI、KD的變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，將ΔKP、ΔKI、ΔKD量化后與PID調節(jié)器的初始參數(shù)相加做為新的PID調節(jié)器參數(shù)，從而構成模糊PID調節(jié)器。在Matlab中，使用simulink工具對模糊PID進行建模和仿真，如圖3-19所示。設定參數(shù)與系統(tǒng)反饋值相減得到當前系統(tǒng)的誤差，誤差和誤差變化率通過一個限幅器以后輸入模糊控制器，模糊控制輸出PID調節(jié)器的參數(shù)變化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，該參數(shù)變化量與PID調節(jié)的器的原始參數(shù)相加獲得新的PID調節(jié)器參數(shù)，PID調節(jié)器根據(jù)新的參數(shù)輸出對應的控制參數(shù)，被控系統(tǒng)在新的控制參數(shù)下運行，最終得到新的反饋。

可以發(fā)現(xiàn)，相對于PID調節(jié)器，模糊PID調節(jié)器具有調節(jié)時間快，調節(jié)過程平穩(wěn)等優(yōu)點，能夠有效的抑制系統(tǒng)超調和振蕩等問題。

4小結

本文在開關磁阻電機線性模型的基礎上，使用matlab建立了開關磁阻電機的仿真模型。首先闡述了基本仿真模型各個子模塊的功能和組成，然后利用各個子模塊搭建了開關磁阻電機調速系統(tǒng)的電動和制動模型，在此模型的基礎上，對電動狀態(tài)最優(yōu)開通角度和最大力矩啟動進行了分析和仿真，對制動原理進行了驗證，為開關磁阻電機控制器的實現(xiàn)提供了理論驗證。針對升降設備調速系統(tǒng)轉速的要求以及傳統(tǒng)的PID調節(jié)的固有問題，本章分析了模糊自適應PID控制的原理，詳述了其在該系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)，最后給出了仿真效果。

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作者簡介：蘭婭勛，1981年12月 ，江西萍鄉(xiāng)，廣州科技職業(yè)技術學院，講師，軟件工程，廣東省廣州市廣從九路1038號廣州科技職業(yè)技術學院電子信息系，郵編510550