基于STM32F103的角磨機開關(guān)磁阻電機控制器的設(shè)計*

*院地產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新基金-電動角磨機用高速開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)（2019-CXY24）

作者簡介：馬建輝（1983—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電機控制、新能源。E-mail：majialong@aliyun.com。

0   引言

目前，市場上的角磨機主要使用三種電機作為其驅(qū)動電機——單相串勵電機、異步電機和永磁同步電機。其中，單相串勵電機具有低速大扭矩，過載能力強的特點，但必須使用換向器，使用場合受限且轉(zhuǎn)速不能過高。異步電機結(jié)構(gòu)簡單，但需要消耗滯后的無功，電機效率相對較低，輕載時調(diào)速性能不佳。永磁同步電機高效耐用，但永磁體成本很高。

開關(guān)磁阻電機（SRM）是一種雙凸極電機，結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，效率高，啟動轉(zhuǎn)矩大，可以滿足電動角磨機大扭矩、轉(zhuǎn)速范圍寬廣、靈活的速度及轉(zhuǎn)向控制等要求^[1]。

本文采用開關(guān)磁阻電機作為電動角磨機的驅(qū)動電機，基于STM32F103 設(shè)計了開關(guān)磁阻電機控制器，實現(xiàn)了SRM的啟停控制、電流斬波控制和角度位置控制。下面從電機、控制器硬件和軟件中的若干關(guān)鍵技術(shù)描述基于STM32F103 的SRM 控制器設(shè)計。

1   電機設(shè)計

從成本的角度考慮，經(jīng)特殊設(shè)計的雙相電機可以實現(xiàn)自啟動，但其轉(zhuǎn)矩脈動較大且無法雙向旋轉(zhuǎn)，使用場合受限，綜合考慮，本設(shè)計選用三相電機，電機參數(shù)如表1 所示。

根據(jù)表1 提供的電機基本參數(shù)，通過多次有限元優(yōu)化仿真計算，最終確定采用6/4 極定轉(zhuǎn)子方案，定子為6 凸極結(jié)構(gòu)，構(gòu)成A/B/C 三相繞組，轉(zhuǎn)子為4 凸極結(jié)構(gòu)，該SRM 示意圖如圖1 所示。

圖1 三相6/4極

2   硬件設(shè)計

SRM控制器的硬件電路包括控制模塊及最小系統(tǒng)、檢測模塊、電源模塊、功率驅(qū)動模塊4 個部分，硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

控制模塊包括主控制芯片STM32F103 及其最小外圍電路。STM32F103 的CPU 主頻為72 MHz，能在一定程度上實現(xiàn)較為復(fù)雜的算法，同時價格適中，有利于產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)。

檢測模塊包括啟停按鍵檢測電路、相電流采樣及放大電路、霍爾元件檢測電路。其中，為了計算方便，相電流采樣及放大電路選用5 mΩ（2 個10 mΩ 電阻并聯(lián)）的采樣電阻在H 橋臂下半橋進行采樣，然后用運算放大器LM2904 對采樣電壓進行20 倍放大，使得相電流和ADC 通道電壓成10 倍關(guān)系，從而簡化了程序的計算。相電流的放大電路如圖3 所示。

圖3 相電流采樣電壓放大電路

電源模塊包括整流模塊和DC-DC 轉(zhuǎn)換模塊，整流模塊包括半波整流電路、電容限流充電電路、濾波電路，用于將輸入的AC 220 V 整流，輸出310 V 左右的直流母線電壓。DC-DC 轉(zhuǎn)換模塊包括將310 V 直流電壓轉(zhuǎn)換至15 V 的直流斬波電路，以及從15 V 至5 V 和3.3 V的穩(wěn)壓電路。

功率驅(qū)動模塊采用典型的不對稱半橋驅(qū)動電路，用IGBT 控制定子繞組的供電，由于該設(shè)計中開關(guān)磁阻電機要達到24 krpm的最高轉(zhuǎn)速，所以IGBT 需要具備較高的開關(guān)頻率，故選擇開關(guān)頻率高達150 kHz 的IRGP20B60P。該部分電路如圖4 所示。

圖4 不對稱半橋驅(qū)動電路

3   軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

由于計算資源及RAM 資源有限，SRM 控制器采用前后臺方式進行軟件設(shè)計。后臺進行啟停按鍵檢測、相電流采樣和轉(zhuǎn)速檢測，前臺根據(jù)檢測到的啟停按鍵實現(xiàn)電機啟動和停轉(zhuǎn)，根據(jù)采集的相電流進行電流斬波控制（CCC）、PID 控制，根據(jù)測得的轉(zhuǎn)速執(zhí)行控制模式在CCC-PID-APC（角度位置控制）之間的切換。軟件框架結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

3.2 控制策略

角磨機運行速度寬泛，最高轉(zhuǎn)速可達24 000 r/m，需要在不同轉(zhuǎn)速下采用不同的控制策略。具體講，啟動及低速時采用電流斬波控制，中速時采用轉(zhuǎn)速+ 電流雙閉環(huán)PID 控制^[2]，高速時采用角度位置控制。下面根據(jù)電壓平衡方程講述控制策略轉(zhuǎn)換的原因。將電壓平衡方程列出如下：

其中，磁鏈可用電感L 和電流i 的乘積表示，磁鏈方程為：

因相電感和電流有關(guān)且隨轉(zhuǎn)子位置角變化，故磁鏈是電流和轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，可將式(1) 改寫為：

將式(2) 代入式(3)，得：

其中，是由電流變化引起磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，稱為“變壓器電動勢”，是由轉(zhuǎn)子位置變化引起磁鏈變化而感應(yīng)的電動勢，稱為“運動電動勢”^[3]。

當轉(zhuǎn)速較低時，運動電動勢較低，電流上升速度很快，為了保護電機及功率開關(guān)器件，采用電流斬波控制（CCC）來限制電流峰值^[4]。

CCC 采用電流滯環(huán)控制形式，滯環(huán)寬度越小，轉(zhuǎn)矩脈動越小，但開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大，經(jīng)反復(fù)試驗調(diào)節(jié)，本文選擇滯環(huán)寬度為0.2 A。

隨著轉(zhuǎn)速的升高，由電流PI 控制器控制電流，隨著電機轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，運動電動勢和變壓器電動勢逐漸變大，從而限制了電流的上升速度，電流PI 控制器的積分環(huán)節(jié)達到飽和，失去對電流的控制作用[5]，電機進入高速運行階段，此時由PID 控制方式進入角度位置控制方式。

4   結(jié)束語

為了實現(xiàn)電動角磨機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的低成本高效運轉(zhuǎn)，選用開關(guān)磁阻電機作為其驅(qū)動電機，經(jīng)有限元仿真確定開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于STM32F103 設(shè)計了SRM 控制器軟硬件，以前后臺的方式實現(xiàn)了關(guān)鍵信號檢測及基于轉(zhuǎn)速的控制策略切換。啟動及低速階段采用電流斬波控制提供大轉(zhuǎn)矩同時保護功率器件，中速階段采用PID 調(diào)節(jié)控制，高速階段采用角度位置控制對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。該角磨機已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，運行可靠，具有很高的實用價值。

參考文獻：

[1] 張云,王知學(xué),付東山.電動角磨機用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計[J].電機與控制應(yīng)用，2017,44(3): 66-70.

[2] 朱孟美,周廣旭,宋寧冉.直驅(qū)式電動臺鉆用開關(guān)磁阻電機高效控制[J].電機與控制應(yīng)用, 2019,46(10): 51-57.

[3] 王宏華.開關(guān)磁阻電動機調(diào)速控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[4] 臧平宇,張廣明,梅磊.軸向磁通開關(guān)磁阻電機的電流斬波控制研究[J].電源技術(shù)，2016,,40(4): 889-891.

[5] 雷渝,王軍,茍斌.一種改進的開關(guān)磁阻電機角度位置控制方法研究[J].電力電子技術(shù)，2018,52(02): 21-24.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）