bsport体育:基于STM32F103的角磨机开关磁阻电机的设计

　　作者：马建辉，于良杰，车晓波，王 勇 （齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省科学院自动化研究所，山东省汽车电子重点实验室，济南 250014）

　　：为某厂家设计了一款电动角磨机，选用开关磁阻电机（SRM）作为角磨机驱动电机，设计了SRM的结构和参数，采用意法半导体STM32F系列中低端MCU STM32F103设计了SRM，设计了控制模块、检测模块、电源模块及功率驱动模块，并根据SRM的工作方式设计了软件流程，实现了启停控制、电流斩波控制、角度位置控制、PID控制、故障报警等功能，并根据电压平衡方程介绍了SRM控制策略的转换。

　　作者简介：马建辉（1983—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电机控制、新能源。E-mail：.com。

　　目前，市场上的角磨机主要使用三种电机作为其驱动电机——单相串励电机、异步电机和永磁同步电机。其中，单相串励电机具有低速大扭矩，过载能力强的特点，但必须使用换向器，使用场合受限且转速不能过高。异步电机结构简单，但需要消耗滞后的无功，电机效率相对较低，轻载时调速性能不佳。永磁同步电机高效耐用，但永磁体成本很高。

　　开关磁阻电机（SRM）是一种双凸极电机，结构简单，坚固耐用，效率高，启动转矩大，可以满足电动角磨机大扭矩、转速范围宽广、灵活的速度及转向控制等要求[1]。

　　本文采用开关磁阻电机作为电动角磨机的驱动电机，基于STM32F103 设计了开关磁阻电机，实现了SRM的启停控制、电流斩波控制和角度位置控制。下面从电机、硬件和软件中的若干关键技术描述基于STM32F103 的SRM 设计。

　　从成本的角度考虑，经特殊设计的双相电机可以实现自启动，但其转矩脉动较大且无法双向旋转，使用场合受限，综合考虑，本设计选用三相电机，电机参数如表1 所示。

　　根据表1 提供的电机基本参数，通过多次有限元优化仿线 极定转子方案，定子为6 凸极结构，构成A/B/C 三相绕组，转子为4 凸极结构，该SRM 示意图如图1 所示。

　　SRM的硬件电路包括控制模块及最小系统、检测模块、电源模块、功率驱动模块4 个部分，硬件结构如图2 所示。

　　控制模块包括主控制芯片STM32F103 及其最小外围电路。STM32F103的CPU 主频为72 MHz，能在一定程度上实现较为复杂的算法，同时价格适中，有利于产业化量产。

　　检测模块包括启停按键检测电路、相电流采样及放大电路、霍尔元件检测电路。其中，为了计算方便，相电流采样及放大电路选用5 mΩ（2 个10 mΩ 电阻并联）的采样电阻在H 桥臂下半桥进行采样，然后用运算放大器LM2904 对采样电压进行20 倍放大，使得相电流和ADC 通道电压成10 倍关系，从而简化了程序的计算。相电流的放大电路如图3 所示。

　　电源模块包括整流模块和DC-DC 转换模块，整流模块包括半波整流电路、电容限流充电电路、滤波电路，用于将输入的AC 220 V 整流，输出310 V 左右的直流母线电压。DC-DC 转换模块包括将310 V 直流电压转换至15 V 的直流斩波电路，以及从15 V 至5 V 和3.3 V的稳压电路。

　　功率驱动模块采用典型的不对称半桥驱动电路，用IGBT 控制定子绕组的供电，由于该设计中开关磁阻电机要达到24 krpm的最高转速，所以IGBT 需要具备较高的开关频率，故选择开关频率高达150 kHz 的IRGP20B60P。该部分电路如图4 所示。

　　由于计算资源及RAM 资源有限，SRM 采用前后台方式进行软件设计。后台进行启停按键检测、相电流采样和转速检测，前台根据检测到的启停按键实现电机启动和停转，根据采集的相电流进行电流斩波控制（CCC）、PID 控制，根据测得的转速执行控制模式在CCC-PID-APC（角度位置控制）之间的切换。软件框架结构如图5 所示。

　　角磨机运行速度宽泛，最高转速可达24 000 r/m，需要在不同转速下采用不同的控制策略。具体讲，启动及低速时采用电流斩波控制，中速时采用转速+ 电流双闭环PID 控制[2]，高速时采用角度位置控制。下面根据电压平衡方程讲述控制策略转换的原因。将电压平衡方程列出如下：

　　当转速较低时，运动电动势较低，电流上升速度很快，为了保护电机及功率开关器件，采用电流斩波控制（CCC）来限制电流峰值[4]。

　　CCC 采用电流滞环控制形式，滞环宽度越小，转矩脉动越小，但开关频率越高，开关损耗越大，经反复试验调节，本文选择滞环宽度为0.2 A。

　　随着转速的升高，由电流PI 控制电流，随着电机转速的继续升高，运动电动势和变压器电动势逐渐变大，从而限制了电流的上升速度，电流PI 的积分环节达到饱和，失去对电流的控制作用[5]，电机进入高速运行阶段，此时由PID 控制方式进入角度位置控制方式。

　　为了实现电动角磨机全转速范围内的低成本高效运转，选用开关磁阻电机作为其驱动电机，经有限元仿真确定开关磁阻电机的结构参数。基于STM32F103设计了SRM 软硬件，以前后台的方式实现了关键信号检测及基于转速的控制策略切换。启动及低速阶段采用电流斩波控制提供大转矩同时保护功率器件，中速阶段采用PID 调节控制，高速阶段采用角度位置控制对转速进行调节。该角磨机已经实现量产，运行可靠，具有很高的实用价值。

　　[1] 张云,王知学,付东山.电动角磨机用开关磁阻电机驱动系统设计[J].电机与控制应用，2017,44(3): 66-70.

　　[2] 朱孟美,周广旭,宋宁冉.直驱式电动台钻用开关磁阻电机高效控制[J].电机与控制应用, 2019,46(10): 51-57.

　　[5] 雷渝,王军,苟斌.一种改进的开关磁阻电机角度位置控制方法研究[J].电力电子技术，2018,52(02): 21-24.