开关磁阻电机控制系统软件设计

兴志

摘 要：首先介绍了开关磁阻电机基本原理及基本控制策略，在此基础上实现了基于ARM Cortex M3内核的微处理器STM32F103上的软件设计。软件是经典的前后台系统，实现了开关磁阻电机控制系统的调速及各种保护功能。相较于现有控制系统软件设计的多中断情形，该软件设计在所有功能均满足的情形下，兼顾程序的精简性及可扩充性，仅使用一个定时中断，并解决了由于多中断的软件设计导致的电流斩波偏高的问题，获得较理想的电流斩波效果。

关键词：开关磁阻电机 控制策略 软件设计 电流斩波

中图分类号：TD614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0080-01

开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Motor）是随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而出现的一种新型调速系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出优点，成为交流、直流和无刷直流电动机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业的广泛关注。

1 基本控制策略

开关磁阻电机基本控制策略主要包括电流斩波控制（CCC）、电压PWM控制、角度位置控制（APC）三种控制策略。

电流斩波控制的优点是可限制电流峰值的增长，保护开关器件的安全，并起到良好有效的调节效果，因此适用于低速调速系统。当相电流超过约定的上限电流值时，则主开关关断，当相电流低于约定的下限电流值时，则组合开关开通，从而实现电流斩波控制效果。

电压PWM控制是通过调整占空比，来调节相绕组的平均电压，以改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节，电压PWM控制的特点是通过调节相绕组电压的平均值，进而能间接地限制和调节相电流，因此既能用于高速调速系统，又能用于低速调速系统，而且控制也较简单。

角度位置控制是指对开通角和关断角的控制。它的实质就在于输入电压保持不变而通过改变主开关的开通角和关断角来调节电流，以达到调节电机转矩的目的。角度控制的优点是转矩调节范围较大，可允许多相同时通电，以增加电机输出转矩，可实现效率最有控制和转矩最优控制。

为了实现开关磁阻电机良好的调速性能，该软件设计采用以下组合控制策略，即电机基速以下运行时，采用电流斩波控制方式；在中低速下，采用电压PWM控制方式；而在高速运行时，采用角度位置控制方式。

2 软件设计

软件采用前后台系统作为软件框架，分为主程序和中断程序两部分，相较于现有控制系统软件设计中的多中断程序，该软件设计仅采用了一个定时中断，是程序更简洁，增加了程序的可读性及可移植性，同时也有利于程序的进一步扩充与完善。现有控制系统软件中多数使用多中断设计，其中包括计算电机转速使用的捕获中断，获取电机位置使用一路或两路外部中断，电流采样时使用的DMA中断，以及一至两个定时中断，这些中断不仅增加了程序的复杂性，同时也降低了软件的可靠性。

在软件设计中，重点和难点就是如何获得较好的斩波效果，而软件设计的好坏直接影响了斩波效果的好坏。在现有的软件设计中，一般是将各相电流通过ADC采样，再经DMA通道传输，同时产生一个DMA中断，然后在一个定时中断（定时中断时间一般为50us至100us）中实现电流斩波。而这种设计会产生两个问题。其一，因为要实现其他功能，定时中断时间不能进一步缩短，而这对电流斩波而言，时间间隔又太长，以50us为例，电流可能会在50us的时间中上升40A。其二，DMA中断优先级要高于定时中断，这可能会导致定时中断的执行被DMA中断打断，进一步延长了电流斩波的时间间隔，会导致电流斩波效果进一步恶化，由于斩波时间间隔过长，导致电流斩波上限偏高。

该软件设计仅使用一个10us定时中断，相较于现有控制系统软件的多中断程序更简洁。中断程序主要功能是实现定时器更能，获取电机位置、计算电机速度，计算转子角度及读取相绕组电流值并实现电流斩波功能。中断程序框图如图1所示。

控制器STM32F103有16个12位的AD转换通道，可对电机各相绕组电流进行采样，将电流采样值通过DMA通道直接传输到存储器，将电流值与约定的电流上下限值比较，决定是否斩波，实现电流斩波功能。由于该软件设计采用一个定时中断，且缩短了定时中断的时间间隔，避免了由于多中断设计导致的电流斩波时间间隔过长的问题，能够获得较好的电流斩波效果。

3 测试结果与分析

测试环境为12/8结构1kW SRM一台，直流稳压电源和电磁测功机及相关测试工具。测试结果表明，该软件系统具有良好的控制性能，能够按照预定的控制策略完美运行，且能对控制系统实现所需的保护功能。并且由于新的软件设计相较于现存的软件，仅采用一个定时中断，且中断时间大为缩短，获得了良好的电流斩波效果。

参考文献

[1] 王宏华.开关磁阻电动机调速控制技术[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2] 黄操，张奕黄.开关磁阻电机调速系统控制器软件设计研究[J].微电机，2006，39（8）：86-88.

[3] 钟锐，徐宇柘，陆生礼.基于CortexM3处理器的开关磁阻电机控制器设计[J].电子技术应用，2011，37（3）：32-34.endprint