关于开关磁阻电机调速系统的软件架构设计

摘要：随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的迅猛发展，开关磁阻电动调速系统得到了快速的发展，正逐步从理论研究走向行业应用。目前主要采用交流调速系统和直流有刷调速系统。这两种调速系统都存在制造成本高、效率低等问题，并且目前仍然没有合适的解决方法。开关磁阻电机调速系统凭借自身高速高效、稳定可靠、过载能力强等特点，有望弥补升降设备现有调速系统的不足，在升降设备中取得良好的应用。论文首先阐述了开关磁阻电机工作原理，然后具体介绍了开关磁阻电机的软件架构，根据电机的实际磁链数据，在Matlab/Simulink 仿真环境下建立了开关磁阻电机的仿真系统，针对电机重载启动、最佳开通区间运行以及制动运行等工作状态做了仿真。

关键词：开关磁阻电机调速系统 PID建模 仿真

中图分类号： TD614 文献标志码 A

Abstract

With the rapid development of the power electronics， micro-electronics and control theory， SRM（Switched Reluctance Motor） control system has a quick development，moving from theory to industrial applications. In the field of lifting equipment， AC and DC motors are widely used. However these two motors have some weakness in high manufacturing costs， low efficiency， and there is still no proper solution.With its high efficiency， stable and reliable， overload capacity and other characteristics， SRD system will be used in lifting equipment to make up for the deficiencies.

At first，this paper describes the working principle of SRM，and analyze the control strategy of electric， brake， and speed control ，which is based on the basic equation and the linear model of the motor. Then a simulation system of SRM based on the actual motor flux data is established in Matlab / Simulink environment to simulate heavy motor starting， brake operation and speed regulate based on fuzzy PID controller etc.

1研究背景和意义

升降设备的应用非常广泛，已经使用于家电制造、食品加工、饮料生产、烟草输送、化工生产、邮政、机械电子制造、仓储物流、建筑等自动化生产行业和旅游观光、高楼大厦、私人住宅、大型舞台等人类的生活娱乐方面。80%的升降设备采用电机调速系统作为设备的动力系统。目前升降设备中应用的调速系统主要有交流电机调速系统和直流电机调速系统，见图1-1。

图1-1升降设备调速系统

交流调速系统主要包括交流双速系统、交流调压调速（ACVV）系统和变压变频（VVVF）系统。这种调速系统的优点是：控制电路简单，元器件少，工艺简单，成本低；同时，在任何转速下转差功率保持不变，效率很高。该调速系统的缺点是：乘坐人员舒适感较差，速度较低，故障率较高。

直流调速系统主要包括有刷电机调速和永磁直流无刷电机调速等。有刷电动机转速与转矩、电流的关系是线性的，电机的机械特性是直线，因此该电机广泛地应用于大范围平滑调速的设备中。目前，在超高速电梯中，直流电机仍占相比例。但是直流电机调速系统也具有以下缺点：

（a）有刷直流电机通常结构复杂，这会导致调速系统成本增加，故障增多。

（b）机械换向器限制了电机的容量、电压和速度，同时还容易产生火花。

（c）电枢在转子上，这降低电机效率，恶化电机散热情况。

开关磁阻电动机调速系统的电动机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电动机驱动系统很适合升降设备的各种工况下运行，是升降设备中极具有潜力的机种。开关磁阻电动机调速系统的特点主要表现在以下几个方面：

1）起动电流小；

2）运行效率高；

3）系统安全可靠p寿命长；

4）过载能力强；

5）系统性价比高。

2 开关磁阻电机的软件设计

该系统采用STM32F103系列处理器作为主控制器，该处理器是ST公司推出的基于Cortex-M3内核的高性能处理器。该系列处理器最高工作频率可达72MHZ，并具有1.25Mips/MHZ的运算能力，满足开关磁阻电机在高速运行时实时计算的要求，处理器自带512K字节的闪存处理器和最大64K字节的SRAM，满足该系统的软件设计要求。同时该系列处理器集成了一些专门的外设，如用于检测电机位置信号三相霍尔传感器和正交编码器接口、用于电机控制的脉宽调制模块PWM、12位高速A/D转换器、通讯模块（SPI、UART、CAN）、通用I/O引脚等。处理器采用3.3V电源供电，且I/O与5V的TTL电平兼容；片上自带JTAG仿真器调试接口，允许在系统设计过程中随时进行调试，并可对软件进行实时调试。多种适合电机控制的专业外设大大缩短了开发周期。

该系统软件主要采用C语言编程，实现模块化设计，增加了程序的可读性和移植性。该系统控制软件主要完成以下功能：

电机起动无死区，启动转矩足够大；能实现提升阶段的电动运行和下降阶段的制动运行。

实时、精确地计算电机转速，通过模糊PID调节器，调节PWM波形的占空比，实现电压斩波控制，控制电机转速平稳。

提升阶段电机起动时采用双相启动方式，中速运行时采用PWM控制，并能实现这两种控制状态之间的平滑过渡。下降阶段电机转速到达设定转速时开始启动制动

具有一定的保护功能，当电机运行时出现过流和堵转等故障情况时，及时的做出相应保护动作，保护电动机和控制电路。

开关磁阻电机控制器最核心的任务是控制电机换相，在额定转速时，电机转子每转过一个周期仅仅需要5ms左右的时间，也即每900us的时间位置信号就会发生一次变化。控制逻辑为了能够及时控制电机换相，至少每900us就要产生一次中断。如果软件使用实时操作系统，操作系统本身需要占用一定的存储资源和一定的运行时间，容易造成对中断的响应不及时，从而造成电机控制偏差。此外电机控制器人机接口简洁，系统任务量少但实时性要求高，不能够发挥出实时操作系统多任务调度和管理的优势。因此，在本文中采用前后台系统作为软件的主要框架，主程序完成系统的初始化并进入循环等待，各个中断完成电机的换相以及速度调节等功能。

系统初始化主要完成：STM32中所用模块的初始化，包括时钟管理、中断管理器的配置、通用输入输出GPIO、定时器模块、A/D转换模块和脉宽调制模块PWM。系统状态自检是通过分别给上开关管和下开关管短时间通电，根据相电流来判断是否存在有开关管烧毁的情况，如果存在电流过大的情况，则有开关管已经短路，程序给出报警信号并退出运行。

如果所有开关管均正常，没有出现短路现象，主程序打开系统时钟中断，扫描键盘输入。如果键盘没有输入或者输入停止命令，则循环等待键盘输入；如果键盘输入提升或者下降命令，则初始化运行时参数，并且打开控制电机转动的中断。电机启动以后，主程序不断循环扫描键盘命令，如果接收到停机命令，则关闭所有驱动信号，并且关闭控制电机转动的中断，等待下一次电机启动命令。主程序流程图如图2-1所示。

图2-1 主程序流程图

3模糊PID建模及仿真

模糊控制器输出KP、KI、KD的变化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，将ΔKP、ΔKI、ΔKD量化后与PID调节器的初始参数相加做为新的PID调节器参数，从而构成模糊PID调节器。在Matlab中，使用simulink工具对模糊PID进行建模和仿真，如图3-19所示。设定参数与系统反馈值相减得到当前系统的误差，误差和误差变化率通过一个限幅器以后输入模糊控制器，模糊控制输出PID调节器的参数变化量ΔKP、ΔKI、ΔKD，该参数变化量与PID调节的器的原始参数相加获得新的PID调节器参数，PID调节器根据新的参数输出对应的控制参数，被控系统在新的控制参数下运行，最终得到新的反馈。

可以发现，相对于PID调节器，模糊PID调节器具有调节时间快，调节过程平稳等优点，能够有效的抑制系统超调和振荡等问题。

4小结

本文在开关磁阻电机线性模型的基础上，使用matlab建立了开关磁阻电机的仿真模型。首先阐述了基本仿真模型各个子模块的功能和组成，然后利用各个子模块搭建了开关磁阻电机调速系统的电动和制动模型，在此模型的基础上，对电动状态最优开通角度和最大力矩启动进行了分析和仿真，对制动原理进行了验证，为开关磁阻电机控制器的实现提供了理论验证。针对升降设备调速系统转速的要求以及传统的PID调节的固有问题，本章分析了模糊自适应PID控制的原理，详述了其在该系统中的具体实现，最后给出了仿真效果。

参考文献

[1]刘明，住宅电梯变频调速系统的研究[D]，[硕士学位论文]，湖北，华中科技大学，2007

[2]陆锐， 基于ARM的开关磁阻电机驱动系统设计[D]，[硕士学位论文]，江苏，江苏科技大学，2008

[3]米芳芳，开关磁阻电机调速控制系统的研究[D]，[硕士学位论文]，黑龙江，哈尔滨工程大学，2008

[3]Kashima S The Present Condition and the Future of EV，Sharing in Japan，IEEE Vellicle Electronics Conference，2001，（9）：149

[4]王宏华，开关型磁阻电动机调速控制技术，北京：机械工业出版社，1999：1-20

[5]吴建华，开关磁阻电机设计与应用，北京：机械工业出版社，2000：13-27

[6]石辛民，郝整清，模糊控制及其MATLAB仿真，北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2008

作者简介：兰娅勋，1981年12月 ，江西萍乡，广州科技职业技术学院，讲师，软件工程，广东省广州市广从九路1038号广州科技职业技术学院电子信息系，邮编510550