李金水+孫會(huì)琴+李柯楠

摘 要：為了控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）穩(wěn)定運(yùn)行，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，文章以STM32F051為控制核心，針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了一種新型的控制方法——直接瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)。最后對(duì)該控制方法進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)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(dòng)，控制其穩(wěn)定運(yùn)行。

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

中圖分類號(hào)：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jī)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比它擁有許多優(yōu)點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，啟動(dòng)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(gè)恒定值，并且有諧波分量，因此電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)，在低速階段尤為明顯。所以對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制就成為了人們高度重視的問題。

1 SRM的直接瞬時(shí)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(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子位置θ為輸入，經(jīng)過預(yù)設(shè)的TSF計(jì)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(dá)式如下：

1.2 SRM的轉(zhuǎn)矩估算

開關(guān)磁阻電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩不易被直接測(cè)得，但可以通過測(cè)量其他的外部變量進(jìn)而估算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。SRM瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的估算單元是DITC系統(tǒng)中很重要的一個(gè)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(jī)的相電流和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)計(jì)算出特定位置的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩大小，并使用查表法得到任意轉(zhuǎn)子位置瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。SRM的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩可以通過磁鏈特性，利用測(cè)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(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)工作時(shí)，光電位置傳感器采集的位置信號(hào)和A/D采集的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)入控制芯片STM32F051，控制器根據(jù)TSF表分析運(yùn)算后，選擇合理的開通、關(guān)斷角進(jìn)行瞬時(shí)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(shí)轉(zhuǎn)矩跟隨給定轉(zhuǎn)矩變化，從而達(dá)到控制電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)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(shí)器、ADC、DAC、電壓比較和通信接口。它的時(shí)鐘頻率為48MHz，電源電壓為3.3V，有1個(gè)16位3相電機(jī)PWM控制定時(shí)器，5個(gè)16位PWM定時(shí)器，1個(gè)16位基本定時(shí)器，1個(gè)32位PWM定時(shí)器，I/O翻轉(zhuǎn)頻率高達(dá)12MHz。

2.2 基于STM32F051的電壓采集

開關(guān)磁阻電機(jī)直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的采集電機(jī)的相電壓信號(hào)以便完成對(duì)轉(zhuǎn)矩的估算。為了在控制芯片STM32F051中實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的采集，首先用STM32CubeMX對(duì)STM32F051進(jìn)行了引腳和時(shí)鐘信號(hào)的參數(shù)的配置，然后用KEIL進(jìn)行了編程并進(jìn)行了編譯，下載到了控制芯片中，最終實(shí)現(xiàn)了STM32F051對(duì)外部電壓信號(hào)的采集。在STM32STUDIO軟件中對(duì)控制芯片進(jìn)行了外部電壓采集的實(shí)驗(yàn)，證明了程序的正確性。

2.3 基于STM32F051的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)

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

3 實(shí)驗(yàn)

上述的直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制策略應(yīng)用于一臺(tái)200W，6/4極的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖2為采用示波器測(cè)量的電機(jī)從靜止達(dá)到給定轉(zhuǎn)速的波形，從圖中可以看出，開關(guān)磁阻電機(jī)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)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(jī)的直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制，分析了開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理以及其在硬件電路中的實(shí)現(xiàn)，在STM32F051芯片中實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部電壓的采集和開關(guān)磁阻電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)波形。另外通過硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，進(jìn)行了試驗(yàn)并獲得了相關(guān)的波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的基于STM32F051的開關(guān)磁阻電機(jī)直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制方法能夠有效的抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，控制SRM穩(wěn)定運(yùn)行。

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