姬起群，施火泉

(江南大学，江苏无锡214122)

0 引 言

随着钕铁硼磁钢紧缺和价格的上涨，加快了开关磁阻电动机发展的步伐。开关磁阻电动机(以下简称SRM)调速系统是一种新型的交流调速系统，其结构简单、坚固耐用、起动转矩大、调速范围宽、控制灵活、效率高等优越性，成为直流调速和交流变频调速系统强有力的竞争者［1］。

本文以内置CAN 2.0B控制器的汽车级微控制器C8051F500作为主控芯片，利用其片内资源，简化外围硬件电路。重点介绍了系统的硬件电路设计和软件控制策略，并通过实验验证该控制系统可靠性高，调速性能优良。

1 SRM控制系统硬件设计

图1为以C8051F500为控制核心的开关磁阻电动机控制系统框图，外围电路主要有:运行控制信号输入电路，位置、电压、电流反馈信号检测与保护电路，PC929驱动电路，通信接口电路，键盘和显示等。

1.1 控制器

图1 开关磁阻电动机控制系统框图

采用美国Silicon Labs公司推出的汽车级混合信号微控制器C8051F500。它使用CIP-51微控制器内核，运算速度高达50 MIPS，内部具有64 kB FLASH，4 352字节 RAM，一个高信噪比的12位ADC，2个电压比较器，硬件实现UART、SMBUS/I2C和增强的SPI串行接口，内置CAN 2.0B和LIN 2.1硬件控制器，4个通用的16位计数器/定时器(T/C)，6个捕捉/比较模块的16位可编程计数器阵列(PCA)，40个通用I/O端口，内置电源监视器，看门狗和时钟振荡器，JTAG在线调试接口等，高度集成的片上系统为设计高性能低成本的控制系统提供了方便［2］。

1.2 功率变换器

图2 功率变换器主电路

控制对象为380 V、55 kW的三相12/8极开关磁阻电动机，主开关管采用300 A/1 200 V的IGBT。图2为系统功率变换器主电路(A相绕组)，采用不对称半桥型电路，用足了主开关管的额定电压，不存在上下桥臂直通故障，控制简便，可靠性高。采用三相桥式全波整流电路供电，限流电阻R0限制上电瞬间大的浪涌电流，当直流母线电压高于阀值电压时，闭合交流接触器KM，主电路电流从KM流过。两只耐压为450 V的电解电容C1、C2串联可承受800 V的直流母线电压，R1、R2为均压电阻。R7和Q7为过压放电回路，满足快速制动的要求。以A相为例，通过PWM控制主开关器件Q1、Q2同时导通或关断来调整A相的电流，在关断时，通过快恢复续流二极管D1、D2续流进行能量回馈［3］。

1.3 驱动电路

日本Sharp公司生产的PC929芯片，具有高速隔离、内置过流保护电路、使用方便等特点，是一种比较典型的驱动电路芯片。驱动电流最大为0.4 A，具有小于0.5 ms的高速响应时间，隔离电压高达4 kV，适用于中小容量 IGBT的驱动［4］。图 3为PC929构成的IGBT驱动电路，采用独立电源供电，PC929驱动输出+15 V和-10 V的栅极电压。电阻R1、R2、三极管 Q1和稳压管 ZD1(击穿电压3.5 V)构成欠压保护电路，还可以改善PC929的传输特性。Q2、Q3组成互补式功率放大器，驱动中、大功率的IGBT。R9～R12、D1～D3构成IGBT集电极电压检测电路，与PC929内部检测电路配合，实现过流(OC)保护。当IGBT过流时，PC929立即关断驱动输出，并由8脚输出故障信号，经过光电耦合后的OC信号输入单片机，触发功率驱动保护中断，封锁6路PWM脉冲信号。

图3 PC929驱动电路

1.4 检测电路

1.4.1 位置、角度及速度检测

采用光电式位置传感器，它由码盘和光电脉冲发生器组成。光电传感器输出的转子位置信号经滤波、整形、光耦隔离后送给单片机，以确定定子和转子的相对位置。图4(a)为三相位置信号S1、S2、S3，方波周期为45°，相邻两相相差15°，三相位置信号异或成周期为15°的方波信号S，此信号分两路:一路经倍频电路进行角度细分后，送给单片机进行计数，实现角度位置控制;另一路直接连接单片机捕获单元，作为角度计算的参考点，通过M/T法计算电机实时转速，图4(b)为一相位置检测电路［5］。

图4 位置信号波形和其中一路位置检测电路

1.4.2 电流检测

采用霍尔电流传感器，它具有精度高、响应速度快、线性度好、强弱电隔离检测等优点。电流传感器实时检测各相电流，电流信号分两路:一路为模拟量作为电流反馈，经电压跟随器输入单片机ADC引脚，实现电流斩波控制;另一路经电压比较器转换为数字信号，输入单片机外部中断引脚，实现电机过流保护。图5为一路电流检测电路。

图5 电流检测电路

2 SRM控制系统软件设计

控制系统软件主要包括初始化子程序、给定输入子程序、两相起动子程序、角度与转速计算子程序、运行子程序、过欠压与过流等故障保护子程序和显示子程序等。图6为系统软件控制流程图，C8051F500采用交叉开关将外围设备配置到P0～P4口，可编程计数器阵列PCA实现脉宽调制信号(PWM)的输出，改变PCA0CPHn的值调节PWM的占空比;A/D转换器用于检测电流反馈和速度给定信号;外部中断INT0检测过流信号;通用定时器T/C2用于捕获转子位置信号，通过CAN控制器与其它设备通信［2］。

图6 系统软件控制流程图

为了尽量减小转矩脉动，保证良好的调速性能，系统采用电流斩波控制(CCC)和变角度位置控制(APC)相结合的电流内环、转速外环双闭环控制。图7为两种控制方式下实测的电流波形，图7(a)采用电流斩波控制(CCC)，电流波形成平顶状，基本实现恒转矩输出;图7(b)采用变角度位置控制(APC)，开通角 θon=-3°，关断角 θoff=18°，有效电流值增加。软件修正速度滞环，避免两种工作方式频繁切换，从而快速有效地调节转速。

3 结 语

本文充分利用C8051F500的片内资源，设计了主电路、PC929驱动电路和信号检测电路，结合优化的软件控制算法，实现电流斩波控制和变角度位置控制。样机实验表明，系统转速调节快、有效功率大、转矩脉动小，验证了该控制系统软硬件设计的可行性，其具有结构简单、动态速度快、可靠性高，在电动汽车等领域具有较好的应用价值。

［1］ 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，1999.

［2］ 童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［3］ 谭国俊，韩耀飞，蒯松岩，等.大功率开关磁阻电机调速系统［J］.电力电子技术，2006，40(4):91-98.

［4］ 訾振宁，郝瑞祥，游小杰，等.基于PC929的 IGBT驱动和保护电路设计［J］.电气技术，2007(9):28-31.

［5］ 崔建峰，黄文力，孙标.基于DSP的开关磁阻电机调速系统设计［J］.电力电子技术，2010，44(10):75-77.