基于STM32F051的开关磁阻电机控制技术研究

李金水+孙会琴+李柯楠

摘 要：為了控制开关磁阻电动机（SRM）稳定运行，抑制转矩脉动，文章以STM32F051为控制核心，针对开关磁阻电机的结构特点提出了一种新型的控制方法——直接瞬时转矩控制（DITC）。介绍了该控制方法的原理及其在硬件电路中的实现。最后对该控制方法进行了实物验证，实验结果证明了基于STM32F051的DITC方法能够有效的抑制SRM的转矩脉动，控制其稳定运行。

关键词：开关磁阻电机；STM32F051；直接瞬时转矩；转矩脉动抑制

中图分类号：TM352 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0026-02

引言

SRM是一种极具发展潜力的新型交流调速电机，与传统电机相比它拥有许多优点，比如结构简单，运行稳定，启动转矩较大，调速范围较宽，控制灵活等等。但由于SRM固有的双凸极结构，并且其电磁转矩是由脉冲转矩叠加而成，所以它不是一个恒定值，并且有谐波分量，因此电机在运行时会出现脉动，在低速阶段尤为明显。所以对于转矩脉动的抑制就成为了人们高度重视的问题。

1 SRM的直接瞬时转矩控制

1.1 转矩分配单元

转矩分配单元中预先设定好了固定形状的转矩分配函数（TSF），以总的期望转矩Tref和实时的转子位置θ为输入，经过预设的TSF计算分配之后得出当前各相的需求转矩。

常用的TSF主要有余弦、直线两种类型，研究结果[4]表明，余弦型TSF能够较好的限制低速区转矩上升过快，本文遂选取余弦型TSF作为预设。定义第k相转矩分配函数为fk（θ），函数的表达式如下：

1.2 SRM的转矩估算

开关磁阻电机的瞬时转矩不易被直接测得，但可以通过测量其他的外部变量进而估算出瞬时转矩。SRM瞬时转矩的估算单元是DITC系统中很重要的一个单元，它直接影响了转矩控制的精度。通常根据离线状态电机的相电流和转子位置信号计算出特定位置的瞬时转矩大小，并使用查表法得到任意转子位置瞬时转矩。SRM的瞬时转矩可以通过磁链特性，利用测得的相电流与转子位置角度得到由公式，如式（2）所示：

2 DITC在硬件电路中的实现

系统工作时，光电位置传感器采集的位置信号和A/D采集的电压电流数据进入控制芯片STM32F051，控制器根据TSF表分析运算后，选择合理的开通、关断角进行瞬时转矩输出，然后再根据开关表的状态触发功率变换器PWM的输出，控制瞬时转矩跟随给定转矩变化，从而达到控制电机稳定运行的目的。

2.1 STM32F051控制器

本文控制系统的控制器采用的是STM32F051，这是一款搭载ARMTM内核的中低容量的32位微控制器，内置64KB的闪存、8KB RAM、RTC、定时器、ADC、DAC、电压比较和通信接口。它的时钟频率为48MHz，电源电压为3.3V，有1个16位3相电机PWM控制定时器，5个16位PWM定时器，1个16位基本定时器，1个32位PWM定时器，I/O翻转频率高达12MHz。

2.2 基于STM32F051的电压采集

开关磁阻电机直接瞬时转矩控制系统需要实时的采集电机的相电压信号以便完成对转矩的估算。为了在控制芯片STM32F051中实现对电压信号的采集，首先用STM32CubeMX对STM32F051进行了引脚和时钟信号的参数的配置，然后用KEIL进行了编程并进行了编译，下载到了控制芯片中，最终实现了STM32F051对外部电压信号的采集。在STM32STUDIO软件中对控制芯片进行了外部电压采集的实验，证明了程序的正确性。

2.3 基于STM32F051的开关磁阻电机驱动

针对本研究所用的三相6/4极开关磁阻电机，设计了基于STM32F051控制芯片的PWM驱动波形，同样用KEIL软件进行了编程，并编译下载到了控制芯片中。

3 实验

上述的直接瞬时转矩控制策略应用于一台200W，6/4极的开关磁阻电机控制系统，进行了实验研究。图2为采用示波器测量的电机从静止达到给定转速的波形，从图中可以看出，开关磁阻电机能够在较短的时间内达到给定转速，而且转速输出非常稳定。

4 结论

本文主要研究了基于STM32F051的开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制，分析了开关磁阻电机的工作原理以及其在硬件电路中的实现，在STM32F051芯片中实现了对外部电压的采集和开关磁阻电机的PWM驱动波形。另外通过硬件实验平台的搭建，进行了试验并获得了相关的波形，实验结果验证了本文所设计的基于STM32F051的开关磁阻电机直接瞬时转矩控制方法能够有效的抑制转矩脉动，控制SRM稳定运行。

参考文献：

[1]孙建忠，李墨竹，孙斐然.开关磁阻电机的直接瞬时转矩控制研究[J].电源学报，2012，40（2）：21-24.

[2]漆汉宏，张婷婷，李珍国.基于DITC的开关磁阻电机转矩脉动抑制仿真研究[J].电工技术学报，2009，7（10）：3133-3138.

[3]李广海.开关磁阻电机及其控制策略研究[D].浙江大学，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.