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            EEPW首頁 > 工控自動化 > 設計應用 > 基于STM32F103的角磨機開關磁阻電機控制器的設計*

            基于STM32F103的角磨機開關磁阻電機控制器的設計*

            作者:馬建輝,于良杰,車曉波,王 勇 (齊魯工業大學(山東省科學院),山東省科學院自動化研究所,山東省汽車電子重點實驗室,濟南 250014)時間:2021-07-26來源:電子產品世界收藏
            編者按:為某廠家設計了一款電動角磨機,選用開關磁阻電機(SRM)作為角磨機驅動電機,設計了SRM的結構和參數,采用意法半導體STM32F系列中低端MCU STM32F103設計了SRM控制器,設計了控制模塊、檢測模塊、電源模塊及功率驅動模塊,并根據SRM控制器的工作方式設計了軟件流程,實現了啟??刂?、電流斬波控制、角度位置控制、PID控制、故障報警等功能,并根據電壓平衡方程介紹了SRM控制策略的轉換。

            *院地產學研協同創新基金-電動角磨機用高速驅動系統(2019-CXY24)

            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202107/427129.htm

            作者簡介:馬建輝(1983—),男,碩士,高級工程師,研究方向為電機控制、新能源。E-mail:majialong@aliyun.com。

            0   引言

            目前,市場上的角磨機主要使用三種電機作為其驅動電機——單相串勵電機、異步電機和永磁同步電機。其中,單相串勵電機具有低速大扭矩,過載能力強的特點,但必須使用換向器,使用場合受限且轉速不能過高。異步電機結構簡單,但需要消耗滯后的無功,電機效率相對較低,輕載時調速性能不佳。永磁同步電機高效耐用,但永磁體成本很高。

            (SRM)是一種雙凸極電機,結構簡單,堅固耐用,效率高,啟動轉矩大,可以滿足電動角磨機大扭矩、轉速范圍寬廣、靈活的速度及轉向控制等要求[1]。

            本文采用作為電動角磨機的驅動電機,基于 設計了開關磁阻電機控制器,實現了SRM的啟??刂?、和角度位置控制。下面從電機、控制器硬件和軟件中的若干關鍵技術描述基于 的SRM 控制器設計。

            1   電機設計

            從成本的角度考慮,經特殊設計的雙相電機可以實現自啟動,但其轉矩脈動較大且無法雙向旋轉,使用場合受限,綜合考慮,本設計選用三相電機,電機參數如表1 所示。

            image.png

            根據表1 提供的電機基本參數,通過多次有限元優化仿真計算,最終確定采用6/4 極定轉子方案,定子為6 凸極結構,構成A/B/C 三相繞組,轉子為4 凸極結構,該SRM 示意圖如圖1 所示。

            image.png

            圖1 三相6/4極

            2   硬件設計

            SRM控制器的硬件電路包括控制模塊及最小系統、檢測模塊、電源模塊、功率驅動模塊4 個部分,硬件結構如圖2 所示。

            1627278520302610.png

            控制模塊包括主控制芯片 及其最小外圍電路。STM32F103 的CPU 主頻為72 MHz,能在一定程度上實現較為復雜的算法,同時價格適中,有利于產業化量產。

            檢測模塊包括啟停按鍵檢測電路、相電流采樣及放大電路、霍爾元件檢測電路。其中,為了計算方便,相電流采樣及放大電路選用5 mΩ(2 個10 mΩ 電阻并聯)的采樣電阻在H 橋臂下半橋進行采樣,然后用運算放大器LM2904 對采樣電壓進行20 倍放大,使得相電流和ADC 通道電壓成10 倍關系,從而簡化了程序的計算。相電流的放大電路如圖3 所示。

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            圖3 相電流采樣電壓放大電路

            電源模塊包括整流模塊和DC-DC 轉換模塊,整流模塊包括半波整流電路、電容限流充電電路、濾波電路,用于將輸入的AC 220 V 整流,輸出310 V 左右的直流母線電壓。DC-DC 轉換模塊包括將310 V 直流電壓轉換至15 V 的直流斬波電路,以及從15 V 至5 V 和3.3 V的穩壓電路。

            功率驅動模塊采用典型的不對稱半橋驅動電路,用IGBT 控制定子繞組的供電,由于該設計中開關磁阻電機要達到24 krpm的最高轉速,所以IGBT 需要具備較高的開關頻率,故選擇開關頻率高達150 kHz 的IRGP20B60P。該部分電路如圖4 所示。

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            圖4 不對稱半橋驅動電路

            3   軟件設計

            3.1 軟件結構

            由于計算資源及RAM 資源有限,SRM 控制器采用前后臺方式進行軟件設計。后臺進行啟停按鍵檢測、相電流采樣和轉速檢測,前臺根據檢測到的啟停按鍵實現電機啟動和停轉,根據采集的相電流進行(CCC)、PID 控制,根據測得的轉速執行控制模式在CCC-PID-APC(角度位置控制)之間的切換。軟件框架結構如圖5 所示。

            1627278682764509.png

            3.2 控制策略

            角磨機運行速度寬泛,最高轉速可達24 000 r/m,需要在不同轉速下采用不同的控制策略。具體講,啟動及低速時采用,中速時采用轉速+ 電流雙閉環PID 控制[2],高速時采用角度位置控制。下面根據講述控制策略轉換的原因。將列出如下:

            image.png

            其中,磁鏈可用電感L 和電流i 的乘積表示,磁鏈方程為:

            image.png

            因相電感和電流有關且隨轉子位置角變化,故磁鏈是電流和轉子位置的函數,可將式(1) 改寫為:

            image.png

            將式(2) 代入式(3),得:

            image.png

            其中,image.png是由電流變化引起磁鏈變化而感應的電動勢,稱為“變壓器電動勢”,image.png是由轉子位置變化引起磁鏈變化而感應的電動勢,稱為“運動電動勢”[3]。

            當轉速較低時,運動電動勢較低,電流上升速度很快,為了保護電機及功率開關器件,采用電流斬波控制(CCC)來限制電流峰值[4]。

            CCC 采用電流滯環控制形式,滯環寬度越小,轉矩脈動越小,但開關頻率越高,開關損耗越大,經反復試驗調節,本文選擇滯環寬度為0.2 A。

            隨著轉速的升高,由電流PI 控制器控制電流,隨著電機轉速的繼續升高,運動電動勢和變壓器電動勢逐漸變大,從而限制了電流的上升速度,電流PI 控制器的積分環節達到飽和,失去對電流的控制作用[5],電機進入高速運行階段,此時由PID 控制方式進入角度位置控制方式。

            4   結束語

            為了實現電動角磨機全轉速范圍內的低成本高效運轉,選用開關磁阻電機作為其驅動電機,經有限元仿真確定開關磁阻電機的結構參數?;赟TM32F103 設計了SRM 控制器軟硬件,以前后臺的方式實現了關鍵信號檢測及基于轉速的控制策略切換。啟動及低速階段采用電流斬波控制提供大轉矩同時保護功率器件,中速階段采用PID 調節控制,高速階段采用角度位置控制對轉速進行調節。該角磨機已經實現量產,運行可靠,具有很高的實用價值。

            參考文獻:

            [1] 張云,王知學,付東山.電動角磨機用開關磁阻電機驅動系統設計[J].電機與控制應用,2017,44(3): 66-70.

            [2] 朱孟美,周廣旭,宋寧冉.直驅式電動臺鉆用開關磁阻電機高效控制[J].電機與控制應用, 2019,46(10): 51-57.

            [3] 王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術[M].北京:機械工業出版社,2014.

            [4] 臧平宇,張廣明,梅磊.軸向磁通開關磁阻電機的電流斬波控制研究[J].電源技術,2016,,40(4): 889-891.

            [5] 雷渝,王軍,茍斌.一種改進的開關磁阻電機角度位置控制方法研究[J].電力電子技術,2018,52(02): 21-24.

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期)



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