電力電子器件中雙電機(jī)控制和數(shù)字PF設(shè)計(jì)

變頻器(Variable-frequency Drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。 [1]變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級(jí)產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術(shù)企業(yè)開始批量化生產(chǎn)變頻器，開啟了變頻器工業(yè)化的新時(shí)代。 [3]20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速的研究得到突破，20世紀(jì)80年代以后微處理器技術(shù)的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實(shí)現(xiàn)。 [3]20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的 VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場，得到了廣泛應(yīng)用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。

相比較國外變頻器的發(fā)展?fàn)顩r，我國的變頻器應(yīng)用起步較晚，直到20世紀(jì)90年代末期才得到較為廣泛的推廣。國內(nèi)變頻技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，可以概括為：變頻器的整體技術(shù)相對落后，和國外在變頻調(diào)速研究上取得的先進(jìn)成果比，存在著較大的差距;變頻器使用的核心部件技術(shù)空白，目前來說，變頻器的生產(chǎn)中需要的關(guān)鍵功率器件，在國內(nèi)幾乎沒有廠家可以生產(chǎn)，導(dǎo)致我們核心技術(shù)受制于國外，必須依靠進(jìn)口;主要產(chǎn)品集中在低壓產(chǎn)品和中低端市場。由于產(chǎn)品可靠性和工藝水平不高，目前國內(nèi)變頻器產(chǎn)品主要面向低壓和對性能要求一般的市場，高性能、大功率市場主要被國外大公司占領(lǐng)。 [11]步入21世紀(jì)后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。上海和深圳成為國產(chǎn)變頻器發(fā)展的前沿陣地。

電力電子器件的自關(guān)斷化、模塊化，變流電路開關(guān)模式的高頻化和控制手段的全數(shù)字化促進(jìn)了變頻電源裝置的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全數(shù)字化，利用了微型計(jì)算機(jī)的巨大的信息處理能力，其軟件功能不斷強(qiáng)化，使變頻裝置的靈活性和適應(yīng)性不斷增強(qiáng)?，F(xiàn)在中小容量的一般用途的變頻器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化。采用大功率自關(guān)斷開關(guān)器件(GTO、BJT、IGBT)作為主開關(guān)器件的正弦脈寬調(diào)制式(SPWM)變頻器，已成為通用變頻器的主流。

盡管專用雙?？刂破骱偷投硕c(diǎn)DSP架構(gòu)已經(jīng)問世，但是意法半導(dǎo)體仍然選擇使用Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)STM32微控制器。這個(gè)解決方案可很好地滿足大量的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求，從一次性工程費(fèi)用的角度看，該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM?內(nèi)核和標(biāo)準(zhǔn)微控制器的成本效益。

基于Harvard架構(gòu)，這個(gè)32位RISC采用Thumb2指令集，提供16位和32位指令。對比純32位代碼，這個(gè)指令集能夠大幅提高代碼密度，同時(shí)保留原有ARM7指令集的多數(shù)優(yōu)點(diǎn)(附加優(yōu)化的乘加運(yùn)算和硬件除法指令)。

電機(jī)控制系統(tǒng)要求微控制器須具備卓越的實(shí)時(shí)響應(yīng)性(中斷延時(shí)短)、純處理功能(如單周期乘法)以及優(yōu)異的控制性能(當(dāng)處理非序列執(zhí)行流和條件轉(zhuǎn)移指令時(shí))。Cortex-M3能夠滿足所有這些要求。例如，當(dāng)時(shí)鐘頻率是72MHz時(shí)，在25μs內(nèi)對一個(gè)永磁電機(jī)完成一次無傳感器磁場定向控制，這相當(dāng)于在10 kHz采樣率下25% 的CPU負(fù)荷。

意法半導(dǎo)體擴(kuò)大32位STM32微控制器(MCU)支持的電機(jī)矢量控制函數(shù)庫，新增了支持單旁路無傳感器控制、內(nèi)部永磁(IPM)電機(jī)控制和永磁同步(PMSM)電機(jī)弱磁控制的算法。目前市場上大約已有40種電機(jī)控制應(yīng)用采用了意法半導(dǎo)體的基于Cortex-M3的STM32微控制器。 在設(shè)計(jì)人員目前可以獲得的新算法中，單旁路電流感應(yīng)支持功能只需要一個(gè)電流感應(yīng)電阻器，比需要三個(gè)電阻器的普通無傳感器控制機(jī)制更加節(jié)省系統(tǒng)成本。單旁路電流感應(yīng)是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一項(xiàng)專利技術(shù)，具有直流總線電壓利用率高、電流失真小和可聽噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。通過增加一個(gè)"最大化轉(zhuǎn)矩電流比"(MTPA)控制算法，擴(kuò)大的函數(shù)庫給設(shè)計(jì)人員提供了更大的自由設(shè)計(jì)空間，使他們能夠靈活地定義無刷IPM電機(jī)的電氣參數(shù)，滿足實(shí)際應(yīng)用對電機(jī)的高功率密度和高速性能的需求?；谶@些新的算法，開發(fā)人員可以充分利用STM32豐富的電機(jī)控制外設(shè)，包括STM32集成的兩個(gè)三相PWM定時(shí)器，使一個(gè)微控制器可以同時(shí)控制兩個(gè)無刷電機(jī)。通過打破一個(gè)微控制器控制一個(gè)電機(jī)的規(guī)則，設(shè)計(jì)人員使用STM32可以節(jié)省成本，降低設(shè)計(jì)尺寸和功耗，而且不會(huì)對性能有任何影響。微控制器集成的三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠支持高精度電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用的三路采樣保持電流捕獲。因?yàn)镾TM32采用先進(jìn)的ARMCortex-M3CPU工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，用戶在STM32上開發(fā)電機(jī)控制解決方案要比使用企業(yè)專有架構(gòu)更節(jié)省時(shí)間。

即使最復(fù)雜的算法幾乎也無法修正不精確的模擬測量值，但是，在某種程度上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體性能取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量。STM32F103芯片內(nèi)置三個(gè)采樣率為1MSps的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi)，總不可調(diào)整誤差 (TUE)低于5 LSB.模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口有三個(gè)主要功能：首先，使CPU擺脫簡單控制任務(wù)和數(shù)據(jù)處理;其次連接芯片的其余部件(中斷請求、DMA請求、觸發(fā)輸入);最后，使STM32的多路轉(zhuǎn)換器同步操作。

在這些對無刷電機(jī)控制有用的功能中，我們首先考慮通道讀序列發(fā)生器。對比傳統(tǒng)的掃描電路(按照模擬輸入序號(hào)，按序轉(zhuǎn)換一定數(shù)量的通道)， 在一個(gè)16個(gè)轉(zhuǎn)換通道組成的順列(例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11)內(nèi)，序列發(fā)生器可按任何順序轉(zhuǎn)換通道，當(dāng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，這個(gè)功能給設(shè)計(jì)人員帶來更高的設(shè)計(jì)靈活性，為實(shí)現(xiàn)平均轉(zhuǎn)換目的，準(zhǔn)許對同一通道進(jìn)行多次采樣(在一個(gè)序列內(nèi))，當(dāng)整個(gè)序列轉(zhuǎn)換完畢后，DMA通道將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到RAM,中斷處理程序產(chǎn)生一個(gè)中斷請求。

在檢測電機(jī)相位電流的過程中，瞬變電壓在功率開關(guān)上產(chǎn)生的噪聲(在離線開關(guān)應(yīng)用中，典型噪聲達(dá)到幾百個(gè)V/μs)是引起讀取誤差的一個(gè)重要原因，可能導(dǎo)致測量結(jié)果的信噪比非常低。解決方案是使模數(shù)轉(zhuǎn)換器與控制功率級(jí)的定時(shí)器同步：因?yàn)閾Q向時(shí)刻可以預(yù)定(由3 PWM定時(shí)器的比較寄存器定義)，所以可以使用一個(gè)額外比較通道在換向時(shí)刻稍前或稍后觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作?；谶@個(gè)原因，STM32啟用了第二個(gè)序列發(fā)生器(又稱注入序列發(fā)生器)，該序列發(fā)生器的優(yōu)先級(jí)高于正常序列發(fā)生器，可以用一個(gè)不能延遲的新轉(zhuǎn)換操作使當(dāng)前的轉(zhuǎn)換操作中斷。通常情況下，正常序列發(fā)生器負(fù)責(zé)"內(nèi)部管理"轉(zhuǎn)換，連續(xù)檢測溫度或直流總線電壓(作為后臺(tái)任務(wù))，然后通過DMA通道發(fā)送到RAM,而注入序列發(fā)生器則將處理時(shí)間關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換操作，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器(將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，但是不能接受延時(shí))。

對于一個(gè)能夠執(zhí)行先進(jìn)的電機(jī)控制功能的通用微控制器，擁有微控制器是一回事，而開發(fā)輕松入門卻是另一回事。利用軟硬件工具可以把這個(gè)問題的兩個(gè)方面都處理好。首先是擁有一套電機(jī)控制開發(fā)入門工具，包含測試工具(JTAG探針和光隔離器)、 微控制器芯片以及功率級(jí)電路板和演示用PMSM電機(jī)，這套工具用于產(chǎn)品性能評(píng)估和開發(fā)用途。模塊化設(shè)計(jì)有助于升級(jí)演示應(yīng)用(例如雙電機(jī)控制微控制器電路板)，評(píng)估多個(gè)(或定制)功率級(jí)。最后，意法半導(dǎo)體為STM32客戶免費(fèi)提供電機(jī)控制軟件庫。2.0版電機(jī)控制軟件庫利用頭文件內(nèi)的一個(gè)簡單且低廉的 #define聲明列表支持各種配置。

軟件庫包含交流感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的磁場定向控制算法，為簡化代碼的可讀性和可維護(hù)性，這些算法采用C編程語言，再次證明了現(xiàn)代編譯器的效率。該軟件庫還針對PMSM電機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)健的無傳感器控制算法(基于磁通觀測器)，以及一個(gè)超高速內(nèi)部永磁電機(jī) (IPM)專用控制算法。當(dāng)然，該軟件還支持普通轉(zhuǎn)速和位置傳感器(增量編碼器、霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器)。通過使用隔離傳感器或分流器，STM32支持三種電流檢測方法。STM32外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)新的單電流檢測方法，利用成本最低的配置(一個(gè)簡單的獨(dú)特的電阻器)執(zhí)行矢量控制。因?yàn)槟軌蜃畲笙薅冉档捅菊麟娏魇д媛剩@項(xiàng)技術(shù)已取得專利權(quán)。

意法半導(dǎo)體目前的主要開發(fā)項(xiàng)目是控制電機(jī)直到靜止?fàn)顟B(tài)的無傳感器永磁電機(jī)控制和內(nèi)置功率因數(shù)校正功能的雙電機(jī)控制。最近，意法半導(dǎo)體成功演示了單電流檢測方法，僅一個(gè)STM32微控制器就能執(zhí)行兩個(gè)單電流檢測矢量控制功能，同時(shí)還用一個(gè)40 kHz的控制回路管理PFC級(jí)(詳見圖1)。

圖1：STM32F103HD可以同時(shí)處理雙電機(jī)控制和數(shù)字PF

圖 2：STM32F103中容量微控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖 3：STM32：強(qiáng)固的增長基礎(chǔ)

從功率開關(guān)分立器件，到復(fù)雜的系統(tǒng)芯片，意法半導(dǎo)體承諾以其獨(dú)有的產(chǎn)品組合長期支持電機(jī)控制市場。STM32微控制器產(chǎn)品線將繼續(xù)沿四個(gè)新方向部署，如圖3所示，其中兩個(gè)方向適用于電機(jī)控制。第一個(gè)產(chǎn)品線將面向低成本市場，開發(fā)低端的16位電機(jī)控制微控制器。另一個(gè)產(chǎn)品線以高性能為訴求，面向需要更高處理性能、更大存儲(chǔ)容量和高帶寬接口的應(yīng)用。如此寬廣的產(chǎn)品組合結(jié)合Cortex-M3內(nèi)核，勢必確立STM32架構(gòu)適用于現(xiàn)在和未來電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多功能性。