开关磁阻电机调速系统的中断设计

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。论文首先阐述了开关磁阻电机工作原理，根据电机的基本方程以及电机的线性模型，结合电机控制的三种基本模式，分析了电机电动、制动控制策略以及电机调速的控制原理。然后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；双相启动；制动

中图分类号：TP273

1 课题的研究背景和意义

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。

图1 升降设备调速系统

2 开关磁阻电机的中断设计

本系统采用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，满足本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。

本系统软件主要采用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。本系统控制软件主要完成以下功能：（1）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。（2）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。（3）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。本系统共有三个中断，包括两个时钟中断和一个位置信号捕获中断。系统中断SysTick，负责电机按键的检测，电机转速的测量，PWM占空比的更新以及电机控制方式的切换和保护动作的执行，其工作流程如图2所示。

图2 SysTick中断子程序

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。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。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。

图3 模糊PID调节器阶跃响应

4 结束语

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，详述了其在本系统中的具体实现，最后给出了仿真效果。

参考文献：

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

作者单位：广州科技职业技术学院，广州 510550