徐宇柘，秦明亮，钟锐

（东南大学 国家专用集成电路系统工程技术研究中心，江苏 南京210096）

开关磁阻电机（SRM）是一种双凸极、无需稀土材料的直流无刷电机[1]，比感应电机和永磁直流无刷电机具有一定性能优势[2]，其具有结构简单、转矩大、成本低等突出特点，并在宽广的速度和功率范围内都能保持较高效率适合高性能的应用[3－5]，例如航空工业和混合动力车[6－7]。

电机的微机保护技术的特点是数字化、智能化以及多功能化[8－9]。 在电动车驱动系统中，考虑成本、安装空间等因素，电机保护必须依托开关磁阻电机控制器来实现，同时提高控制系统中电机和控制器的安全可靠性，发挥开关磁阻电机成本低、控制灵活等优点。 本文针对上述问题，对其控制原理进行分析，研究正常和异常位置信号随转子转动的规律并提出位置信号故障的保护算法，在STM32 为核心的控制器中实现此算法，并建立测试系统验证算法的正确性。

1 开关磁阻电机控制原理分析

开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机（SRM）、功率变换器、控制器和检测器4 部分组成[10]，如图1所示。

图1 开关磁阻电机驱动系统框图Fig.1 Block diagram of SRM driver system

控制器根据电机反馈的位置信号得到当前电机定转子的相对位置，由此来判断当前应该开通的电机相限，将控制信号传送给功率变换器，驱动开通此相对应的MOS 管，使得电机该相绕组两端连接电源，从而驱动电机运行。 位置检测器一般固定在电机后端，使用开关型霍耳器件对固定在电机转子并且跟随转子旋转的磁环进行检测，由于磁环上N/S 极分布对称均匀。 随着电机转子的旋转，位置检测器的输出信号为0～5 V高低电平循环输出。

不计电动机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，相绕组的电感随转子位置角θ 的周期性变化规律可以用简化线性模型描述，如图2所示。

图2 电感理想模型与电机定转子相对位置θ 关系Fig.2 Idealized inductance versus relative position θ of stator and rotor

图2中Lu为定转子凸极非对齐位置的电感，La为对齐位置的电感，Linc为上升区电感，Ldec为下降区电感，βs为定子极弧，βr为转子极弧，τr为转子极距。 在θ2～θ3区域内，定转子磁极不相重叠，电感保持最小值Lu不变，在θ4～θ5区域内，定转子磁极完全重叠，相电感保持最大值La不变，在θ1～θ2和θ3～θ4区域内，定转子磁极部分重叠，相电感值随重叠面积线性减小或增加。

根据转矩简化公式：

电机输出力矩是和电流平方以及相电感对于位置角度的微分成正比。 在某相电感的上升阶段，开通该相使得电流流过，产生正向力矩，反之在某相电感的下降阶段开通该相绕组，则会产生负向力矩，影响电机的正常运行。 那么电机应该在定转子凸极的非对齐位置开通，此时电机的相电感正处在上升阶段，然后在定转子凸极的对齐位置前关断，保证对齐位置是电流减小为零，在电感的下降阶段不产生负力矩。

开关磁阻电机系统通过三相不对称半桥功率变换器轮流开通或关断电机绕组，绕组开通连接到电源产生磁场，驱动电机运行。 其电路原理图（三相）如图3所示。

图3 三相不对称半桥型功率变换器电路原理图Fig.3 Schematic diagram of three phase asymmetric half bridge power converter

图3中，Udc为驱动电机系统的直流电源，T1～T6为功率管，可以选择Power-MOSFET 或者IGBT 等，D1～D6为续流快恢复型二极管，A，B 和C三相分别为电机各相绕组。 以A 相为例，功率变换器的工作过程为：当T1和T2导通时，A 相绕组从直流电源吸收电能，此时UA= Udc；若T1和T2中任意关断一个，假设关断T1，则相绕组电流经D2和T2继续流通，进入自然续流状态，直到绕组中存储的能量消耗完毕，此时UA=0，称为“续流”；若T1和T2同时关断，则相绕组电流经续流二极管D1和D2继续流通，并回馈给电源，进入回馈制动状态，此时UA= -Udc，称为“回流”。 这种形式的功率变换器具有控制灵活方便，相与相之间电流独立，上下桥臂间不存在“直通”问题，能量能够回馈使得系统效率高等优点，可以更方便采用不同的控制策略。

2 位置信号故障保护

目前主流的12/8 结构三相开关磁阻电机的位置信号检测器采用电磁式位置信号采样电路，使用3 个开关型霍耳元件检测磁环的磁极，每个霍耳器件相隔为30°，与转子连轴旋转的磁环由弧长为45°的8 块圆形磁铁充磁而成，其中N 极和S 极弧长均为22.5°。 开关型霍耳位置传感器输入为磁感应强度，输出为数字信号。 它是一个双值元件，对于N，S 磁极分别输出为“0”和“1”。假设A 相定转子凸极非对齐时，相对位置θ 设为0°，12/8 结构三相开关磁阻电机中相邻转子凸极间相距45°，相邻转子凸极转过同一定子的凸极的时间内，位置传感器输出波形正好为一个周期。 从图4中可以看出，在各相位置输出信号的下降沿开通该相，并且在下一个上升沿到来前关断，即可获得正向力矩，使得电机正常运行。

图4 三相位置信号图Fig.4 Three phase position signal diagram

但是电机在运行过程中，由于颠簸或者长时间运行发热导致位置信号检测器焊盘脱落，而且输出信号做了上拉处理，故障发生后使得某一相输出信号持续为高电平，控制器接收故障信号后输出错误的驱动信号，造成电机缺相运行，容易损坏电机。为了防止这种故障的发生，需要对检测器输出信号进行检测，检查在定转子非对齐位置到对齐位置这个循环中，输出信号是否按照预定的顺序循环输出，如果不符合循环则保护电机。

本文中电机的换相顺序为A→C→B→A，如此反复循环，其中位置信号“100”，“110”状态开通A 相，“010”，“011” 开通C 相，“001”，“101”开通B 相，每相开通2 个状态共15°。

CPU 根据接收到的位置信号，输出相应的驱动信号，依次导通各相绕组，驱动电机正常换相运行。 因为位置检测部分与电机本体一起安装，如果霍耳器件损坏、位置信号接口脱落或者其他故障，则会导致位置信号没有按“100”→“110”→“010”→“011”→“001”→“101”→“100”依次输入CPU，如果CPU 根据错误的位置信号输出驱动信号，扰乱电机换相顺序，在相电感的下降区间开通该相绕组，一方面使得控制器电流处于不可控状态，另一方面电机产生负力矩，可能导致控制系统和电机损坏，降低它们的可靠性。 为了预防这种故障的发生，在50 μs 定时中断中位置信号状态发生变化时，将最新状态与上一状态进行比较，比较结果是否符合规定的换相顺序，例如当前状态为“110”，前一状态为“100”才属正常。 前后2 个状态的比较结果符合规定的顺序，CPU 则根据当前状态输出驱动信号，切换开通绕组，驱动电机正常运行；否则判定电机位置信号检测部分出现故障，电机需要停机进入保护。 其具体流程图如图5所示，位置信号检测子程序在50 μs定时中断中执行，CPU 读取连接A，B，C 三相位置信号的GPIO 数据，将位置信号状态赋予变量CurState,记录当前位置信号状态。然后将CurState与已赋值变量PreState 比较，PreState 中存放的是当前电机运行所对应的位置信号状态，两者相同则维持输出控制信号不变，电机继续开通当前绕组运行。 如果数值不相同，首先查看CurState，然后根据规定的换相状态顺序查看PreState 的值是否为CurState 的前一状态，在符合的情况下CPU根据CurState 中的位置信号状态输出驱动信号，开通此相绕组并关断其他两相绕组，并且将Cur State 的值赋给PreState 留待下次中断执行比较；否则判定为电机位置信号故障，电机停机进入保护。

图5 位置信号检测子程序流程图Fig.5 Flow chart of position signal detecting subroutine

3 实测验证

3.1 测试系统

为了验证开关磁阻电机保护算法能够针对电机运行过程中位置信号异常状态，做出正确的保护措施。 测试平台包括12/8 结构开关磁阻电机，60 V，100 A 稳压电源，测功机，测功机数字显示仪，0～5 V 可调稳压电源，4 通道数字示波器，电流霍耳传感器，开关磁阻电机控制器。 测试平台中使用的电流霍耳传感器的采集比例为1∶100，即示波器采集的传感器电压波形中，100 mV 感应电压对应实际运行中电机相电流10 A。

控制器采用Cortex-M3 内核的STM32 处理器。 其片上搭载了专为电机控制设计的定时器和AD。 定时器最高输入频率可达72 MHz，提供13.9 ns 的边沿分辨能力，位置信号检测精度更高；在每个PWM 周期和每次DMA 传输过程中有一个附加的中断，不会损失分辨率；PWM 输出相互独立可选择，并且提供了可编程的、硬件水平支持的死区产生机制。ADC 架构提供了并行转换模式，采样率可编程，最低1 μs 转换时间，最多16 个通道，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。 霍耳器件输出集电极开路，因此需要在输出端使用上拉电阻。

控制器软件中采用前后台设计，表1列出主要中断功能，捕获中断用于获取当前速度及时更新换相周期。50 ms 中断增加外部信号更新PWM驱动信号的占空比。 其中保护算法在50 μs 中执行，有效保障其反映速度。

表1 中断功能列表Tab.1 List of interrupt function

3.2 位置信号故障保护算法测试

测试方案为：在电机运行过程中，拔掉A 相位置信号，由于外部上拉使其持续为高电平，模拟电机运行过程中位置信号脱落的情况并记录波形。

图6a 中通道1 为A 相电流，通道2，3，4 分别为A，B，C 三相位置信号； 图6b 中通道1 为A相下管驱动信号，低电平为开通，通道2，3，4 分别为A，B，C 三相位置信号。 从波形图可以看出，A 相位置信号脱落之后，因保护算法在50 μs 中断执行，迅速判断执行保护动作，A 相下管驱动信号持续为高电平，绕组不再开通，控制器停止驱动电机，实现了位置信号故障保护的功能。

图6 位置信号故障波形图Fig.6 Waveforms of position signal error

4 结论

本文针对开关磁阻电机的位置检测器件存在损坏、脱落等问题，分析其控制原理，研究正常和异常位置信号随转子转动的规律，提出位置信号故障的保护算法，在STM32 为主控CPU 的控制器上实现算法并建立测试系统验证其效果，结果表明算法能在位置信号发生异常状态下，准确判断并迅速做出保护动作，提高了电机及控制器的安全可靠性。

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