论文部分内容阅读
[摘 要]开关磁阻电动机（SRM）具有结构简单，性能优越，可靠性高等突出优点，本文介绍了基于STM32的硬件平台设计，详细描叙了处理器核心模块、信号采样模块、功率变换器模块等各个部分的原理和电路图设计。介绍了PID调速系统软件设计，描述了各软件模块的设计理念和具体的实现流程。论文实现的低压开关磁阻电机调速系统能够实现1600r/min匀速和制动运行。
[关键词]开关磁阻电机 PID 调速系统
中图分类号：U262.27 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）34―0422―03
随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的迅猛发展，开关磁阻电动调速系统得到了快速的发展，正逐步从理论研究走向行业应用。在低压电动车领域，目前主要直流无刷调速系统。这种调速系统存在制造成本高、效率低等问题，并且目前仍然没有合适的解决方法。低压SRM调速系统凭借自身高速高效、稳定可靠、过载能力强等特点，有望弥补直流无刷现有调速系统的不足[1]。
1 SRM电机调速系统的基本原理
SR电动机的运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、串励特性区。如图1.1所示。
在恒转矩区，由于电机的转速较低，电机反电动势小，需要对电流进行斩波限幅，成为电流斩波控制（CCC）方式，也可采用调解相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式[2]。在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制（APC）方式。在串励特性区，电源电压、开通角和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称為串励特性区。
其中ωb和ωsc为各特性交接的临界转速，是SR电机运行和设计时要考虑的重要参数。SR电动机运行速度低于ωb（第一临界速度）的范围内，为了保证最大角速度和电流不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或两个，或三者同时配合控制。当SR电动机在高于ωb范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的增加下降，为了得到恒功率特性，必须采用可控条件，但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加[3]。因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速ωsc被称之为“第二临界转速”。当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降。开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性[4]。
运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一[5]。从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证SR电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。
2 硬件控制系统设计
2.1 系统硬件框架设计
SRM调速系统硬件框图如图2.1所示，整个系统由7个子模块组成：STM32处理器模块、位置信号检测模块、调速模块、控制信号处理回路模块、功率变换器模块、电流采样模块和电源模块。STM32处理器模块负责整个系统的数据处理、数据计算以及系统控制；位置信号检测模块负责实时检测SRM定子转子的相对位置；调速模块负责实时采样外部输入的模拟电压调速信号；控制信号处理回路负责将STM32处理器发出的控制信号进行进一步的调整，而后输出控制功率变换器；功率变换器模块一方面负责接收控制指令，另一方面将电源与SRM连接形成回路，使SRM在STM32处理器控制下稳定高效运转；电流采样模块负责实时采样及反馈电路中的电流信号，以协助处理器做出相应动作；电源模块负责将60V供电直流电源进一步变换成其他子模块所需的电压。
STM32是最新一代嵌入式ARM32处理器，系统频率72M。它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减了管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。
STM32使用高性能的ARM Cortex_M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设，包含2个12为的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，完全满足了SRM调速系统系统需要，而且成本较低，具有极强的实用性。
3 PID调速系统的软件设计及实现
软件系统在硬件平台的基础上实现各种控制和检测的功能，是整套系统的灵魂。电动机保护装置的软件设计主要完成以下任务：准确、实时的检测电路中的电流信号、位置信号；稳定、安全的控制SRM运行
整个软件的设计应当实现以下几个目标：
（1）确保对信号采样的精度与速度；
（2）闭环调速，实现SRM的稳定运转；
（3）合理选取开通角、关断角，注重调速系统的高效性。
3.1 软件总体设计方案
系统软件设计基于STM32硬件平台，基于C语言开发，可移植性好、可读性强、维护方便，具有长期稳定运行的能力。本设计中软件系统根据SRM电机的自身特性，极其针对的设计了高优的调速软件系统，实现了对SRM的完善控制。一套合理高效的软件控制系统，是高速高效SRM调速系统的设计与实现的基本条件。系统软件的设计实现，由主程序模块和各个外围模块相互协调实现，如图3.1所示。
如上图所示为软件系统的基本框架，其中主程序主要完成电机运行前的准备工作，如上电延时、配置中断、开机自检等等，然后进入死循环。 系统上电后，首先开启了500ms的缓冲时间，防止上电后立即操作出现异常，起到保护电机的作用。
与此同时，系统软件再配合50ms中断、触发中断及一系列的子程序实现了对电机的稳定控制，实现电机的高速高效运行。
3.2 PID调速模块
系统软件具备PID调速模块，采用闭环控制方式调节SR电机转速。与开环控制相比，闭环速度控制系统的稳定性、快速性和准确性大大增强。而且调节PID的参数，可以在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗干扰能力，是系统实现高速高效的重要条件。系统软件主要是在50ms中断模块中实现PID调速模块功能的，其软件流程图如图3.2所示。
高速高效SRM调速系统的转速大小调节主要是通过调节转把实现的，但是调节转把所得到的实际转速往往和目标转速二者不相等，这时需要对比目标转速和实际转速的差异，然后通过PID函数进行处理微调，可逐步减小差异并最终达到一致[6]。如图3.2所示为PID调节转速实现过程，其中目标转速的获取利用了STM32芯片的AD采样功能，通过采样转把的电压信号，并将其存储在一个数组之中，然后对其进行滤波，最后转换成目标转速。其实现过程如图3.4所示。
综上所述，可得出结论：SR电机制动运行能够控制电机恒转速制动。
结束语
电高速高效开关磁阻电机调速系统的设计基本达到了预期目标，同时，整个系统的稳定性与可靠性需要通过在工业现场进一步的长时间试验来验证。另外，对于低压SRM的PID调速系统是否能够适应不同用户群体的过负荷使用和在国内某些地区的特殊地形上运行的处理上，需要做更多的研究工作。
参考文献
[1] 谢卫才，黄守道，石安乐，开关磁阻电机调速系统发展动向[J]，湖南工程学院学报，2004，14（4）：20-22
[2] 吴建华，开关磁阻电机设计与应用[M]，北京：机械工业出版社，2000：1-7
[3] 欧阳启，电动车用开关磁阻电机控制系统研究及实现[D]：[硕士学位论文]，湖南：湖南大学机械电子工程系，2006
[4] 张全柱，郝荣泰，邓新华，开关磁阻电机的几种功率变换器拓扑的性能分析[J]，电气传动自动化，1995，17（4）：50-54
[5] 齐建玲，孟小红，刘慧芳，基于开关磁阻电动机的功率变换器的研究[J]，电子技术应用，2005，1：36-39
[6] 开关磁阻电机驱动系统的位置检测方法综述[DB/OL]，http：//www.01ruodian.com/bbs/ShowPost.asp？ThreadID=3863，2006-9-25
[7] 铁起，基于开关磁阻电机的车用ISAD系统的若干特殊问题的研究[D]：[硕士学位论文]，镇江：江苏大学控制理论与控制工程，2007：17-20
[8] 王宏華，开关磁阻电机电动机调速控制技术[M]，北京：机械工业出版社，1995：46-62
作者简介
（鞠建刚，男，上海，1985-2，上海大学机电工程与自动化学院，控制工程）
[关键词]开关磁阻电机 PID 调速系统
中图分类号：U262.27 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）34―0422―03
随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的迅猛发展，开关磁阻电动调速系统得到了快速的发展，正逐步从理论研究走向行业应用。在低压电动车领域，目前主要直流无刷调速系统。这种调速系统存在制造成本高、效率低等问题，并且目前仍然没有合适的解决方法。低压SRM调速系统凭借自身高速高效、稳定可靠、过载能力强等特点，有望弥补直流无刷现有调速系统的不足[1]。
1 SRM电机调速系统的基本原理
SR电动机的运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、串励特性区。如图1.1所示。
在恒转矩区，由于电机的转速较低，电机反电动势小，需要对电流进行斩波限幅，成为电流斩波控制（CCC）方式，也可采用调解相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式[2]。在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制（APC）方式。在串励特性区，电源电压、开通角和关断角均固定，由于自然特性与串励直流电机的特性相似，故亦称為串励特性区。
其中ωb和ωsc为各特性交接的临界转速，是SR电机运行和设计时要考虑的重要参数。SR电动机运行速度低于ωb（第一临界速度）的范围内，为了保证最大角速度和电流不超过允许值，采用改变电压、导通角和触发角三者中任一个或两个，或三者同时配合控制。当SR电动机在高于ωb范围运行时，在外加电压、导通角和触发角都一定的条件下，随着转速的增加，磁链和电流将下降，转矩则随着转速的增加下降，为了得到恒功率特性，必须采用可控条件，但是外施电压最大值是由电源功率变换器决定的，而导通角又不能无限增加[3]。因此，在电压和导通角都达最大时，能得到的最大功率的最高转速ωsc被称之为“第二临界转速”。当转速再增加时，由于可控条件都已经达到极限，转矩将随转速的二次方下降。开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域中，电机的实际运行特性可控。通过控制条件，可以实现在粗实线以下的任意实际运行特性。而在串励特性区，电机的可控条件都已达极限，电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性[4]。
运行时存在着第一、第二两个临界运行点是开关磁阻电机的一个重要特点。采用不同的可控条件匹配可以得到两个临界点的不同配置，从而得到各种各样所需的机械特性，这就是开关磁阻电动机具有优良调速性能的原因之一[5]。从设计的观点看，两个临界点的合理配置是保证SR电动机设计合理，满足给定技术指标要求的关键。
2 硬件控制系统设计
2.1 系统硬件框架设计
SRM调速系统硬件框图如图2.1所示，整个系统由7个子模块组成：STM32处理器模块、位置信号检测模块、调速模块、控制信号处理回路模块、功率变换器模块、电流采样模块和电源模块。STM32处理器模块负责整个系统的数据处理、数据计算以及系统控制；位置信号检测模块负责实时检测SRM定子转子的相对位置；调速模块负责实时采样外部输入的模拟电压调速信号；控制信号处理回路负责将STM32处理器发出的控制信号进行进一步的调整，而后输出控制功率变换器；功率变换器模块一方面负责接收控制指令，另一方面将电源与SRM连接形成回路，使SRM在STM32处理器控制下稳定高效运转；电流采样模块负责实时采样及反馈电路中的电流信号，以协助处理器做出相应动作；电源模块负责将60V供电直流电源进一步变换成其他子模块所需的电压。
STM32是最新一代嵌入式ARM32处理器，系统频率72M。它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减了管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。
STM32使用高性能的ARM Cortex_M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设，包含2个12为的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，完全满足了SRM调速系统系统需要，而且成本较低，具有极强的实用性。
3 PID调速系统的软件设计及实现
软件系统在硬件平台的基础上实现各种控制和检测的功能，是整套系统的灵魂。电动机保护装置的软件设计主要完成以下任务：准确、实时的检测电路中的电流信号、位置信号；稳定、安全的控制SRM运行
整个软件的设计应当实现以下几个目标：
（1）确保对信号采样的精度与速度；
（2）闭环调速，实现SRM的稳定运转；
（3）合理选取开通角、关断角，注重调速系统的高效性。
3.1 软件总体设计方案
系统软件设计基于STM32硬件平台，基于C语言开发，可移植性好、可读性强、维护方便，具有长期稳定运行的能力。本设计中软件系统根据SRM电机的自身特性，极其针对的设计了高优的调速软件系统，实现了对SRM的完善控制。一套合理高效的软件控制系统，是高速高效SRM调速系统的设计与实现的基本条件。系统软件的设计实现，由主程序模块和各个外围模块相互协调实现，如图3.1所示。
如上图所示为软件系统的基本框架，其中主程序主要完成电机运行前的准备工作，如上电延时、配置中断、开机自检等等，然后进入死循环。 系统上电后，首先开启了500ms的缓冲时间，防止上电后立即操作出现异常，起到保护电机的作用。
与此同时，系统软件再配合50ms中断、触发中断及一系列的子程序实现了对电机的稳定控制，实现电机的高速高效运行。
3.2 PID调速模块
系统软件具备PID调速模块，采用闭环控制方式调节SR电机转速。与开环控制相比，闭环速度控制系统的稳定性、快速性和准确性大大增强。而且调节PID的参数，可以在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗干扰能力，是系统实现高速高效的重要条件。系统软件主要是在50ms中断模块中实现PID调速模块功能的，其软件流程图如图3.2所示。
高速高效SRM调速系统的转速大小调节主要是通过调节转把实现的，但是调节转把所得到的实际转速往往和目标转速二者不相等，这时需要对比目标转速和实际转速的差异，然后通过PID函数进行处理微调，可逐步减小差异并最终达到一致[6]。如图3.2所示为PID调节转速实现过程，其中目标转速的获取利用了STM32芯片的AD采样功能，通过采样转把的电压信号，并将其存储在一个数组之中，然后对其进行滤波，最后转换成目标转速。其实现过程如图3.4所示。
综上所述，可得出结论：SR电机制动运行能够控制电机恒转速制动。
结束语
电高速高效开关磁阻电机调速系统的设计基本达到了预期目标，同时，整个系统的稳定性与可靠性需要通过在工业现场进一步的长时间试验来验证。另外，对于低压SRM的PID调速系统是否能够适应不同用户群体的过负荷使用和在国内某些地区的特殊地形上运行的处理上，需要做更多的研究工作。
参考文献
[1] 谢卫才，黄守道，石安乐，开关磁阻电机调速系统发展动向[J]，湖南工程学院学报，2004，14（4）：20-22
[2] 吴建华，开关磁阻电机设计与应用[M]，北京：机械工业出版社，2000：1-7
[3] 欧阳启，电动车用开关磁阻电机控制系统研究及实现[D]：[硕士学位论文]，湖南：湖南大学机械电子工程系，2006
[4] 张全柱，郝荣泰，邓新华，开关磁阻电机的几种功率变换器拓扑的性能分析[J]，电气传动自动化，1995，17（4）：50-54
[5] 齐建玲，孟小红，刘慧芳，基于开关磁阻电动机的功率变换器的研究[J]，电子技术应用，2005，1：36-39
[6] 开关磁阻电机驱动系统的位置检测方法综述[DB/OL]，http：//www.01ruodian.com/bbs/ShowPost.asp？ThreadID=3863，2006-9-25
[7] 铁起，基于开关磁阻电机的车用ISAD系统的若干特殊问题的研究[D]：[硕士学位论文]，镇江：江苏大学控制理论与控制工程，2007：17-20
[8] 王宏華，开关磁阻电机电动机调速控制技术[M]，北京：机械工业出版社，1995：46-62
作者简介
（鞠建刚，男，上海，1985-2，上海大学机电工程与自动化学院，控制工程）