基于Cortex M3处理器的开关磁阻电机控制器设计

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驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，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界的广泛关注[1]。

本文以32位ARM Cortex M3内核的高性能微处理器STM32F103为核心，设计实现了低压SRM控制器，具有高性能和低成本的特点。所控制的SRM为三相12/8极结构。控制器设计指标为：额定工作电压48 V，功率500 W，转速1 300 r/min。

1 SRM控制系统

1.1 SRM驱动系统
SRM驱动系统主要由SRM和控制器两大部分组成。本文所设计的控制器包括处理模块、功率变换器和检测模块等部分。处理模块根据反馈回来的SRM相电流及位置检测信号控制功率变换电路内部开关管的导通时间和关断时间，从而控制SRM的电磁转矩、转速与转向[2]。其结构如图1所示。


1.2 控制器设计

1.2.1 处理器模块

处理器模块主要由主处理器、外围振荡电路和复位电路等辅助电路组成，采用了以ARM Cortex M3为内核的STM32F103处理器。

STM32F103主频72 MHz，计算性能1.25 DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法。内置模块包括2个16通道12 bit DC、32 KB~128 KB零等待周期闪存程序存储器、6 KB~20 KB SRAM、7个定时器；-40 ℃～+105 ℃的工业级温度范围。适用于电机数字控制、工业自动化、数据采集和遥测等领域。

本文采用了STM32F103的3个Timer端口与内置在SRM内的3个霍尔位置传感器一一相连，用以采集转子的位置信息，并以此来计算SRM的转速。采用了5路ADC输入端口连接3路霍尔电流传感器、1路霍尔电压传感器，以及转把内置霍尔传感器。采用3路PWM信号连接到功率变换器作为功率变换器的上开关管驱动信号，3路I/O信号作为下开关管驱动信号。

1.2.2 功率变换器

采用三相不对称半桥式结构设计功率变换器，开关管采用大电流MOSFET功率器件IRF540，额定电流28 A，额定电压100 V。所设计的不对称半桥的电路图如图2所示。MOSFET的栅极驱动采用了大电流光耦HCPL3120。


1.2.3 反馈模块

本文分别采用霍尔电流、电压和位置传感器实现反馈模块。

采用四通道比较器芯片LM339设计三相电流迟滞斩波电路，如图3所示。内部产生参考电压后与电流反馈电路采集到的电压信号进行比较，再根据斩波要求输出控制开关管的信号，从而达到斩波的控制目的。


2 控制软件设计

本设计中软件程序主要包括主程序、初始化子程序、中断服务子程序。按需要实现的功能，可分为位置检测模块、反馈控制模块、换相控制模块。这些功能模块都是通过中断服务程序实现的。而模块化的编程处理方法使得程序之间的关联最小化，以利于程序的调节和完善。

2.1 SRM运行模式

SRM在低于基速以下运行时，常采用电流斩波控制(CCC)方式，以避免过大的电流和磁链峰值，取得恒转矩机械特性[3]。常见的CCC方法是保持开通角θon、关断角θoff不变，通过主开关器件的多次导通和关断将电流限制在给定的上下限值之间，并籍此控制转矩。
在中低速下，可采用调节相绕组外加电压有效值的电压调节控制（VC）方式，其实现方法是通过PWM占空比完成电压比例调节。

SRM在高速运行时，常采用改变θon、θoff的角度位置控制(APC)方式来完成转矩和调速调节[4]。

2.2 主程序

主程序完成控制软件大部分功能。这些功能包括操作输入处理（启动/停止/转向）、转速调节、PWM输出以及I/O口选相信号的输出等。操作输入处理用来处理由控制面板输入的启动、停止、转向以及加减速等信号。转速调节先计算速度偏差以及偏差变化率，然后计算出PWM的占空比，并由定时器TIM3产生PWM信号输出，对电机速度进行控制。I/O口的换相信号输出根据反馈的位置信号来选择某一相通电，驱动电机运转。

速度反馈环设计在主程序中运行，根据采样时间判断当前的状态，然后根据时间计算当前的速度并由此得到所需的占空比，然后输出PWM驱动SRM运转。

采用中断子程序来实现对于实时性要求较高的功能，包括位置信号捕获中断子程序和定时器中断子程序。

2.3 换相控制

从SRM电机本体上安装的位置传感器产生3路信号传给CPU，系统使用是软件中断和查询方式相结合的中断方式，以准确读取位置信号，然后该服务中断程序根据这3个位置信号电平的值给对应的MOS管导通信号。

3 测试及结果分析

测试环境包括12/8结构的500 W SRM电机一台，所设计的控制器为100 V 50 kVA直流电源系统，负载为ZF200 KB电磁测功机。

3.1 0.5 Nm轻载，1 250 r/min测试

图4为轻载时A相位置、上下管驱动及相电流信号。上管采用PWM调节电流，下管负责开关换相。此时PWM占空比很小，有效电流不会导致进入斩波模式，电流波形为阶梯式上升和下降。


3.2 3.5 Nm重载，700 r/min测试

图5为重载时A相位置、上下管驱动及相电流信号。此时上管仍采用PWM调节电流，下管负责开关换相。此时PWM占空比很大，有效电流导致进入CCC模式。

图6为重载时A、B、C三相电流信号及A相电压信号。当上下主开关管同时导通时，此时绕组的电压与电源电压相等；当上管关断，下管打开时由于续流二极管的作用使得绕组两端等电位，由此测得此时的相电压为0；当上、下管全部关断时，绕组电流通过续流二极管返还给电源，此时电压为反向偏压。当绕组电能释放完毕时，其绕组两端电压为零。

本文采用ARM Cortex M3内核芯片STM32F103设计了三相12/8极SRM控制器。测试表明，所设计的系统能实现不对称半桥结构功率变换器的驱动，继而可用于实现CCC、APC等系统控制模式。