基于STM32的交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)交流永磁同步電機(jī)(PMSM)的控制特點(diǎn)，分別從功率電路和控制方法兩方面進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。硬件方面采用先進(jìn)的智能功率模塊IPM，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)；軟件上應(yīng)用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32，其豐富的電機(jī)庫(kù)函數(shù)降低了研發(fā)周期。FOC+SVPWM方法進(jìn)一步提高了交流伺服系統(tǒng)的性能，使其具有與直流電機(jī)一樣的調(diào)速性能。該系統(tǒng)已應(yīng)用到實(shí)際的圓網(wǎng)印花機(jī)環(huán)境中。通過實(shí)踐驗(yàn)證該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，符合工業(yè)控制的需要。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；STM32；FOC+SVPWM

引言
    近年來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材料技術(shù)的迅速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，交流永磁同步電機(jī)以其體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)在工農(nóng)業(yè)、日常生活以及許多高科技中迅速得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究設(shè)計(jì)高精度、高性能的永磁同步電機(jī)成為現(xiàn)代電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
    伺服驅(qū)動(dòng)器按照功能特征可分為功率板和控制板兩個(gè)獨(dú)立的模塊，本文在分析交流永磁同步電機(jī)控制性能的基礎(chǔ)上分別對(duì)控制單元和功率驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。控制單元作為伺服系統(tǒng)的核心，要求有較高的性能，為此，論文采用意法半導(dǎo)體推出的STM32作為控制核心芯片。它是基于ARM先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達(dá)72 MHz。強(qiáng)大的內(nèi)核及其豐富的外設(shè)使其在馬達(dá)控制應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的使用。功率驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)用了IPM(智能功率模塊)，與以往的IGBT相比較，IPM FSAM20SH60A內(nèi)部集成欠電壓、過電流和溫度檢測(cè)等保護(hù)電路，簡(jiǎn)化了伺服系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的模塊化和微型化。

1 PMSM伺服系統(tǒng)的基本構(gòu)架
    PMSM控制系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖1所示，它包括主電路、伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元以及信號(hào)反饋采集單元。

    伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。STM32 Cortex-M3以其價(jià)格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)成為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制核心的一種趨勢(shì)。功率驅(qū)動(dòng)單元采用以智能功率模塊IPM為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)進(jìn)行自我保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號(hào)經(jīng)過反饋傳輸?shù)絊TM32內(nèi)部，進(jìn)行精確、快速的處理后輸出，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的實(shí)時(shí)性控制。在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。

2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    功率驅(qū)動(dòng)模塊作為伺服系統(tǒng)的強(qiáng)電部分包括兩個(gè)單元：一是開關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源，二是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。功率版的設(shè)計(jì)中包括6個(gè)硬件保護(hù)功能，分別是單相過流(正反向電流)保護(hù)、母線過流(正反向電流)保護(hù)、剎車過流(正反向電流)保護(hù)、母線過壓保護(hù)、母線欠壓保護(hù)、溫度過高保護(hù)。每路保護(hù)都有LED報(bào)警顯示，同時(shí)為了增強(qiáng)可靠性，保護(hù)發(fā)生后都會(huì)分別給MCU和柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，保護(hù)功率器件IPM，防止元件的損壞，而且該信號(hào)必須要求單獨(dú)的復(fù)位信號(hào)才能取消，否則保護(hù)電路會(huì)一直起作用，防止誤操作損壞設(shè)備和影響人身安全。
2．1 TOP—Switch開關(guān)電源
    由TOP—Switch系列芯片構(gòu)成的應(yīng)用電路具有最低的成本和元器件數(shù)目，AC／DC轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90％，芯片內(nèi)部還集成了自動(dòng)復(fù)位啟動(dòng)和限流功能電路。為了實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全保護(hù)，芯片內(nèi)部還具有一個(gè)觸發(fā)式熱關(guān)斷電路，可構(gòu)成反激式、正激式、升壓式和降壓式結(jié)構(gòu)的電源電路。本文采用TOP-222芯片設(shè)計(jì)了一款反激式開關(guān)電源，輸出4路獨(dú)立+15 V電源為逆變器的上下橋臂提供控制電源，保證逆變器的穩(wěn)定工作，通過穩(wěn)壓管可轉(zhuǎn)換成電路中其他器件提供所需的工作電壓。[!--empirenews.page--]
2．2 IPM工作原理
    功率驅(qū)動(dòng)芯片采用FSAM20SH60，輸出100～253 V交流電壓，最大驅(qū)動(dòng)功率1．5 kW，開關(guān)頻率可達(dá)15 kHz。內(nèi)部集成了電壓、電流保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)切斷輸出電流，保護(hù)電機(jī)不被燒毀。如圖2所示，STM32內(nèi)部通過相應(yīng)的算法輸出6路PWM信號(hào)，經(jīng)光耦HCPL-4050隔離放大后作為IPM的輸入信號(hào)，來控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。其中，逆變器的每個(gè)上橋壁分別采用獨(dú)立的控制電源以提高系統(tǒng)的可靠性，這個(gè)獨(dú)立的電源由開關(guān)電源來提供。

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2．3 溫度檢測(cè)電路
    IPM芯片內(nèi)部集成了溫度保護(hù)功能，圖3為IPM驅(qū)動(dòng)芯片的溫度檢測(cè)電路。芯片內(nèi)部含有熱敏電阻，當(dāng)溫度過高時(shí)就會(huì)通過檢測(cè)電路的電壓比較器輸出故障信號(hào)反饋給IPM芯片的7引腳，在芯片內(nèi)部經(jīng)分析處理后采取及時(shí)的措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，如將IGBT軟遮斷，當(dāng)溫度正常時(shí)再解除保護(hù)。

2．4 電流檢測(cè)電路
    對(duì)于數(shù)字化伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩環(huán)的性能直接影響著系統(tǒng)的控制性能。電流采樣的精度和實(shí)時(shí)性很大程度上決定了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，精確的電流檢測(cè)是提高系統(tǒng)控制精確、穩(wěn)定性和快速性的重要環(huán)節(jié)。在伺服控制系統(tǒng)中電流檢測(cè)的方法有多種，常見的一種是采用霍爾電流傳感器，將電流信號(hào)經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)輸出，然后經(jīng)運(yùn)算比較電路處理后輸出到控制芯片。另一種方式是采用電流檢測(cè)，論文即采取這種檢測(cè)方式。圖4為電流檢測(cè)電路，取采樣電阻兩端的電壓經(jīng)線性光耦HCPL-7840隔離、放大后輸入到電壓比較運(yùn)算放大器，再將比較后的值輸入到控制芯片STM32中進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，從而得出當(dāng)前的電流值。由于PMSM為三相對(duì)稱電機(jī)，即Ia+Ib+Ic=0，因此，研究檢測(cè)其中兩相就能得到三相電流。

3 STM32驅(qū)動(dòng)PMSM原理及實(shí)現(xiàn)
    控制模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的弱電部分，是電機(jī)的控制核心，也是伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂菩酒阅艿膬?yōu)劣直接影響整個(gè)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。意法半導(dǎo)體的STM32是采用基于ARM工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嵌入式處理器Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達(dá)72MHz，內(nèi)置Flash和SRAM(容量可分別高達(dá)512 KB和64 KB)。強(qiáng)大的內(nèi)核及其豐富的外設(shè)，使其在無刷馬達(dá)控制應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的使用。馬達(dá)控制配套軟件庫(kù)V2.0包含電機(jī)矢量控制函數(shù)庫(kù)，新增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，極大地簡(jiǎn)化了電機(jī)的控制，縮短了研發(fā)周期。基于此，論文選取STM32作為控制核心芯片，針對(duì)PMSM的控制提出了FOC+SVPWM控制算法。FOC(矢量控制)的應(yīng)用使得交流PMSM具有直流電機(jī)一樣的特性，解決了交流電機(jī)強(qiáng)耦合、非線性的問題，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制。[!--empirenews.page--]
3．1 FOC+SVPWM的控制原理
    矢量控制的實(shí)質(zhì)是坐標(biāo)變換，即將PMSM三相定子電流Ia、Ib經(jīng)過Clarke 3／2變換成兩相靜止坐標(biāo)系中的Iα、Iβ，再經(jīng)過Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的Id、Iq。通常在控制時(shí)令I(lǐng)d=0，實(shí)現(xiàn)定子繞組與d軸的完全解耦，從而可以很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩，這與永磁直流電機(jī)的控制原理類似。電壓空間矢量控制SVPWM是根據(jù)逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和導(dǎo)通順序?qū)A形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分成6個(gè)扇區(qū)，根據(jù)定子上反饋的電流值大小和給定值的比較來確定當(dāng)前所處的扇區(qū)，通過相應(yīng)的控制算法輸出6路PWM信號(hào)控制逆變器橋開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。圖5為PMSM矢量控制的原理圖。

3．2 STM32實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速環(huán)的控制算法
    在函數(shù)FOC_Model(MC_FOC_DRIVE．c)中，當(dāng)電流轉(zhuǎn)換開始即執(zhí)行如下的算法流程。首先讀取三相定子電流Ia、Ib，然后進(jìn)行Clarke函數(shù)變換得到兩項(xiàng)靜止坐標(biāo)系中的電流Iα、Iβ，再經(jīng)過Park函數(shù)得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的Id、Iq。給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后，輸出信號(hào)作為電流環(huán)的輸入給定信號(hào)Iqref。Id的給定值Idref=0，轉(zhuǎn)矩電流Iq和勵(lì)磁電流Id分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和限幅控制后經(jīng)過Park反變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Vd、Vq，由Vd、Vq的值判斷空間矢量的扇區(qū)號(hào)S，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制。
3．3 高精度PWM產(chǎn)生
    STM32可提供13．8 ns的定時(shí)精度，其內(nèi)部高級(jí)定時(shí)器是由一個(gè)自動(dòng)重裝載的16位計(jì)數(shù)器組成，可輸出高精度的PWM波形(輸出比較PWM、嵌入“死區(qū)”的互補(bǔ)PWM)。PWM的輸出模式有邊沿和中心對(duì)稱兩種模式，由于中心對(duì)稱模式下PWM波形沒有精度損失，因此，論文選取中心對(duì)稱模式下的7路帶死區(qū)互補(bǔ)輸出的PWM作為驅(qū)動(dòng)芯片的控制信號(hào)。
    電機(jī)控制PWM信號(hào)是由TIMx_ARR寄存器確定頻率，由TIMx_CCRx寄存器確定占空比，示波器上讀出的6路PWM信號(hào)及控制逆變器工作輸出的電流波形圖如圖6所示。

    STM32控制電機(jī)的主程序中應(yīng)包含如下兩個(gè)函數(shù)：STM32F10x-MCconf．h，定義用于選定的電流反饋類型；MC_Control_Param．h，定義PWM頻率，死區(qū)時(shí)間(ns)及寄存器更新率REP_RATE。
    這兩個(gè)函數(shù)的定義如下：
   

結(jié)語
    本文所設(shè)計(jì)的基于STM32的交流PMSM控制，結(jié)合先進(jìn)的IPM功率逆變器，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，充分利用以Cotex-M3為內(nèi)核的STM32的優(yōu)勢(shì)，其豐富的固件庫(kù)函數(shù)縮短了開發(fā)周期。圓網(wǎng)印花機(jī)的實(shí)踐應(yīng)用表明，基于STM32的交流PMSM具有良好的動(dòng)態(tài)性能，符合工業(yè)控制的需求。