基于Cortex-M3的STM32微控制器處理先進(jìn)電機(jī)控制方法

變頻器的問世和先進(jìn)的電機(jī)控制方法讓三相無刷電機(jī)(交流感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電機(jī))曾經(jīng)在調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域取得巨大成功。這些高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器過去主要用于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人。十年來，電子元器件的大幅降價(jià)使得這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能夠進(jìn)入對(duì)成本敏感的市場(chǎng)，例如：家電、空調(diào)或個(gè)人醫(yī)療設(shè)備。本文將探討基于ARM的標(biāo)準(zhǔn)微控制器如何在一個(gè)被DSP和FPGA長(zhǎng)期壟斷的市場(chǎng)上打破復(fù)雜的控制模式，我們將以意法半導(dǎo)體的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列微控制器為例論述這個(gè)過程。

首先，我們回顧一下電機(jī)控制的基本原理。在電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)，為什么處理器非常重要?我們?yōu)槭裁葱枰浅：玫挠?jì)算性能?畢竟，Nicolas Tesla在一個(gè)世紀(jì)前發(fā)明交流電機(jī)時(shí)不需要編譯器。只要需要調(diào)速，人們無法回避使用逆變器驅(qū)動(dòng)一個(gè)性能不錯(cuò)的3相電機(jī)，控制一個(gè)永磁同步電機(jī)(PMSM)運(yùn)轉(zhuǎn)更離不開逆變器，這個(gè)復(fù)雜的功率電子系統(tǒng)的核心是一個(gè)直流轉(zhuǎn)交流的3相逆變器，其中微控制器起到管理作用，以全數(shù)字方式執(zhí)行普通的三位一體的控制功能：檢測(cè)(電流、轉(zhuǎn)速、角度…)、處理(算法、內(nèi)務(wù)管理…)、控制功率開關(guān)(最低的配置也至少有6個(gè)開關(guān))。

采用標(biāo)量控制是一個(gè)三相交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)轉(zhuǎn)的最簡(jiǎn)單方式。標(biāo)量控制原理是在施加到電機(jī)的頻率和電壓之間保持一個(gè)恒比。對(duì)于入門級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這是一個(gè)非常主流的控制方法，適合負(fù)載特性非常普通且控制帶寬要求不高的應(yīng)用(如功率非常小的電泵和風(fēng)扇)。不幸地是，并不是所有的應(yīng)用都能忍受如此簡(jiǎn)單的控制過程及其應(yīng)用限制。特別是，標(biāo)量控制在瞬變環(huán)境內(nèi)不能保證最佳的電機(jī)性能(轉(zhuǎn)矩、能效)。為克服這些限制，人們開發(fā)出了其它的電機(jī)控制方法，其中磁場(chǎng)定向控制(又稱矢量控制)是應(yīng)用最廣泛的方法之一。這種控制方式利用兩個(gè)去耦直流控制器，不管運(yùn)轉(zhuǎn)頻率如何(例如轉(zhuǎn)速)，以驅(qū)動(dòng)分開勵(lì)磁電機(jī)的方式驅(qū)動(dòng)任何一種交流電機(jī)(感應(yīng)電機(jī)或永磁電機(jī))。勵(lì)磁電流與直流的主磁通量(在一個(gè)PMSM電機(jī)內(nèi)的磁體磁通量)有關(guān)，而90°移相電流可以控制轉(zhuǎn)矩，功能相當(dāng)于直流電機(jī)的電樞電流。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，磁場(chǎng)定向控制方式可實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制，而且響應(yīng)速度快，使定子磁通量和轉(zhuǎn)子磁通量保持完美的90度相位差，即便在瞬變工作環(huán)境內(nèi)，仍然能夠保證優(yōu)化的能效，這是實(shí)現(xiàn)以電機(jī)拓?fù)錇闃?biāo)志的更復(fù)雜的控制方法所依據(jù)的基本理論框架，特別是對(duì)于PMSM電機(jī)，這個(gè)理論是無傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)，既可以大幅降低成本(不再需要轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角傳感器和相關(guān)的連線)，同時(shí)還能提高電機(jī)可靠性。在這種情況下，必須只使用電機(jī)數(shù)學(xué)模型、電流值和電壓值，通過計(jì)算方法估算轉(zhuǎn)子角度位置。在最低分鐘轉(zhuǎn)數(shù)只有幾百轉(zhuǎn)的情況下，這種狀態(tài)觀測(cè)器理論(在其它控制方法中)可以實(shí)現(xiàn)無傳感器的轉(zhuǎn)速控制，在某些情況下，最低分鐘轉(zhuǎn)數(shù)是靜止?fàn)顟B(tài)。不過，這對(duì)CPU是一個(gè)額外的實(shí)時(shí)負(fù)荷。最后，微控制器必須以1KHz到20KHz的速率連續(xù)重新計(jì)算矢量控制算法，具體速率取決于最終應(yīng)用帶寬，處理Parke和Clarke轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)多個(gè)PID控制器和軟件鎖相環(huán)確實(shí)需要高強(qiáng)度的數(shù)字計(jì)算，這就是過去為什么數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器或FGPA器件被用作控制器的原因。

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(duì)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(duì)一個(gè)永磁電機(jī)完成一次無傳感器磁場(chǎng)定向控制，這相當(dāng)于在10kHz采樣率下25%的CPU負(fù)荷。

在STM32微控制器內(nèi)，該內(nèi)核與意法半導(dǎo)體優(yōu)化型閃存接口緊密配合，只需增加很少的外部元器件，周邊外設(shè)即可處理外部事件(圖1所示是STM32F103中容量微控制器的結(jié)構(gòu)框圖)。不用說，PWM定時(shí)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器是最重要元器件。PWM定時(shí)器包括最先進(jìn)的功能，如中央對(duì)齊模式PWM信號(hào)生成和死區(qū)時(shí)間插入邏輯，特別強(qiáng)調(diào)安全性:該模塊直接控制功率開關(guān)換向，可控開關(guān)功率達(dá)到數(shù)千瓦。例如，用于配置某些重要參數(shù)的寄存器代碼可以被鎖保護(hù)，以防軟件失效。只要“緊急停止”引腳被拉低，所有的I/O引腳都被置于用戶可配置的安全狀態(tài)。這個(gè)功能設(shè)計(jì)采用組合邏輯模塊，當(dāng)主時(shí)鐘(晶體)失效時(shí)，內(nèi)部切換到后備振蕩器之前，可確保保護(hù)電路仍然能夠正常工作。最后，該微控制器還包含一個(gè)第4比較通道，專門用于觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)最佳的電流測(cè)量精度。

圖1：STM32F103中容量微控制器結(jié)構(gòu)框圖。

即使最復(fù)雜的算法幾乎也無法修正不精確的模擬測(cè)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5LSB。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(jiǎn)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(qǐng)求、DMA請(qǐng)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(duì)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(duì)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(duì)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(qǐng)求。[!--empirenews.page--]

在檢測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(kù)。2.0版電機(jī)控制軟件庫(kù)利用頭文件內(nèi)的一個(gè)簡(jiǎn)單且低廉的#define聲明列表支持各種配置。軟件庫(kù)包含交流感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制算法，為簡(jiǎn)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(kù)還針對(duì)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(cè)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(cè)方法。STM32外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)新的單電流檢測(cè)方法，利用成本最低的配置(一個(gè)簡(jiǎn)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?，這項(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(cè)方法，僅一個(gè)STM32微控制器就能執(zhí)行兩個(gè)單電流檢測(cè)矢量控制功能，同時(shí)還用一個(gè)40kHz的控制回路管理PFC級(jí)(詳見圖2)。

圖2：STM32F103HD可以同時(shí)處理雙電機(jī)控制和數(shù)字PF。

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(zhǎng)期支持電機(jī)控制市場(chǎng)。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(chǎng)，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(shì)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。

圖3：STM32:強(qiáng)固的增長(zhǎng)基礎(chǔ)。