基于STM32F103的角磨机开关磁阻电机控制器的设计*

*院地产学研协同创新基金-电动角磨机用高速开关磁阻电机驱动系统（2019-CXY24）

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：majialong@aliyun.com。

0   引言

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控制器，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、控制器硬件和软件中的若干关键技术描述基于STM32F103 的SRM 控制器设计。

1   电机设计

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真计算，最终确定采用6/4 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。

图1 三相6/4极

2   硬件设计

SRM控制器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。

图3 相电流采样电压放大电路

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。

图4 不对称半桥驱动电路

3   软件设计

3.1 软件结构

由于计算资源及RAM 资源有限，SRM 控制器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。

3.2 控制策略

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：

其中，磁链可用电感L 和电流i 的乘积表示，磁链方程为：

因相电感和电流有关且随转子位置角变化，故磁链是电流和转子位置的函数，可将式(1) 改写为：

将式(2) 代入式(3)，得：

其中，是由电流变化引起磁链变化而感应的电动势，称为“变压器电动势”，是由转子位置变化引起磁链变化而感应的电动势，称为“运动电动势”^[3]。

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 控制器控制电流，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 控制器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。

4   结束语

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 控制器软硬件，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。

参考文献：

[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.

[3] 王宏华.开关磁阻电动机调速控制技术[M].北京:机械工业出版社,2014.

[4] 臧平宇,张广明,梅磊.轴向磁通开关磁阻电机的电流斩波控制研究[J].电源技术，2016,,40(4): 889-891.

[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.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期）