基于STM32F051的開關(guān)磁阻電機控制技術(shù)研究

李金水+孫會琴+李柯楠

摘 要：為了控制開關(guān)磁阻電動機（SRM）穩(wěn)定運行，抑制轉(zhuǎn)矩脈動，文章以STM32F051為控制核心，針對開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)特點提出了一種新型的控制方法——直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制（DITC）。介紹了該控制方法的原理及其在硬件電路中的實現(xiàn)。最后對該控制方法進行了實物驗證，實驗結(jié)果證明了基于STM32F051的DITC方法能夠有效的抑制SRM的轉(zhuǎn)矩脈動，控制其穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機；STM32F051；直接瞬時轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩脈動抑制

中圖分類號：TM352 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0026-02

引言

SRM是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒涣髡{(diào)速電機，與傳統(tǒng)電機相比它擁有許多優(yōu)點，比如結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，啟動轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速范圍較寬，控制靈活等等。但由于SRM固有的雙凸極結(jié)構(gòu)，并且其電磁轉(zhuǎn)矩是由脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成，所以它不是一個恒定值，并且有諧波分量，因此電機在運行時會出現(xiàn)脈動，在低速階段尤為明顯。所以對于轉(zhuǎn)矩脈動的抑制就成為了人們高度重視的問題。

1 SRM的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制

1.1 轉(zhuǎn)矩分配單元

轉(zhuǎn)矩分配單元中預(yù)先設(shè)定好了固定形狀的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)（TSF），以總的期望轉(zhuǎn)矩Tref和實時的轉(zhuǎn)子位置θ為輸入，經(jīng)過預(yù)設(shè)的TSF計算分配之后得出當(dāng)前各相的需求轉(zhuǎn)矩。

常用的TSF主要有余弦、直線兩種類型，研究結(jié)果[4]表明，余弦型TSF能夠較好的限制低速區(qū)轉(zhuǎn)矩上升過快，本文遂選取余弦型TSF作為預(yù)設(shè)。定義第k相轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)為fk（θ），函數(shù)的表達式如下：

1.2 SRM的轉(zhuǎn)矩估算

開關(guān)磁阻電機的瞬時轉(zhuǎn)矩不易被直接測得，但可以通過測量其他的外部變量進而估算出瞬時轉(zhuǎn)矩。SRM瞬時轉(zhuǎn)矩的估算單元是DITC系統(tǒng)中很重要的一個單元，它直接影響了轉(zhuǎn)矩控制的精度。通常根據(jù)離線狀態(tài)電機的相電流和轉(zhuǎn)子位置信號計算出特定位置的瞬時轉(zhuǎn)矩大小，并使用查表法得到任意轉(zhuǎn)子位置瞬時轉(zhuǎn)矩。SRM的瞬時轉(zhuǎn)矩可以通過磁鏈特性，利用測得的相電流與轉(zhuǎn)子位置角度得到由公式，如式（2）所示：

2 DITC在硬件電路中的實現(xiàn)

系統(tǒng)工作時，光電位置傳感器采集的位置信號和A/D采集的電壓電流數(shù)據(jù)進入控制芯片STM32F051，控制器根據(jù)TSF表分析運算后，選擇合理的開通、關(guān)斷角進行瞬時轉(zhuǎn)矩輸出，然后再根據(jù)開關(guān)表的狀態(tài)觸發(fā)功率變換器PWM的輸出，控制瞬時轉(zhuǎn)矩跟隨給定轉(zhuǎn)矩變化，從而達到控制電機穩(wěn)定運行的目的。

2.1 STM32F051控制器

本文控制系統(tǒng)的控制器采用的是STM32F051，這是一款搭載ARMTM內(nèi)核的中低容量的32位微控制器，內(nèi)置64KB的閃存、8KB RAM、RTC、定時器、ADC、DAC、電壓比較和通信接口。它的時鐘頻率為48MHz，電源電壓為3.3V，有1個16位3相電機PWM控制定時器，5個16位PWM定時器，1個16位基本定時器，1個32位PWM定時器，I/O翻轉(zhuǎn)頻率高達12MHz。

2.2 基于STM32F051的電壓采集

開關(guān)磁阻電機直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要實時的采集電機的相電壓信號以便完成對轉(zhuǎn)矩的估算。為了在控制芯片STM32F051中實現(xiàn)對電壓信號的采集，首先用STM32CubeMX對STM32F051進行了引腳和時鐘信號的參數(shù)的配置，然后用KEIL進行了編程并進行了編譯，下載到了控制芯片中，最終實現(xiàn)了STM32F051對外部電壓信號的采集。在STM32STUDIO軟件中對控制芯片進行了外部電壓采集的實驗，證明了程序的正確性。

2.3 基于STM32F051的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動

針對本研究所用的三相6/4極開關(guān)磁阻電機，設(shè)計了基于STM32F051控制芯片的PWM驅(qū)動波形，同樣用KEIL軟件進行了編程，并編譯下載到了控制芯片中。

3 實驗

上述的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制策略應(yīng)用于一臺200W，6/4極的開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)，進行了實驗研究。圖2為采用示波器測量的電機從靜止達到給定轉(zhuǎn)速的波形，從圖中可以看出，開關(guān)磁阻電機能夠在較短的時間內(nèi)達到給定轉(zhuǎn)速，而且轉(zhuǎn)速輸出非常穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文主要研究了基于STM32F051的開關(guān)磁阻電機的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制，分析了開關(guān)磁阻電機的工作原理以及其在硬件電路中的實現(xiàn)，在STM32F051芯片中實現(xiàn)了對外部電壓的采集和開關(guān)磁阻電機的PWM驅(qū)動波形。另外通過硬件實驗平臺的搭建，進行了試驗并獲得了相關(guān)的波形，實驗結(jié)果驗證了本文所設(shè)計的基于STM32F051的開關(guān)磁阻電機直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制方法能夠有效的抑制轉(zhuǎn)矩脈動，控制SRM穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]孫建忠，李墨竹，孫斐然.開關(guān)磁阻電機的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制研究[J].電源學(xué)報，2012，40（2）：21-24.

[2]漆漢宏，張婷婷，李珍國.基于DITC的開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制仿真研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，7（10）：3133-3138.

[3]李廣海.開關(guān)磁阻電機及其控制策略研究[D].浙江大學(xué)，2004.

[4]Inderka R.B.，De Doncker R .W.A.A..DITC-direct instantaneous torque control of switched reluctance drives[J].Industry Applications，IEEE Transactions on，2003，39（4）：1046-1051.

[5]Husain I..Minimization of torque ripple in SRM drives[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2002，49（1）：28-39.

[6]Fuengwarodsakul， S. E.Bauer.Sensorless direct instantaneous torque control for switched reluctance machines[C].European4.