基于STM32的交流永磁同步電機驅(qū)動器設計

摘要：針對交流永磁同步電機(PMSM)的控制特點，分別從功率電路和控制方法兩方面進行了分析和設計。硬件方面采用先進的智能功率模塊IPM，極大地簡化了電路設計；軟件上應用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32，其豐富的電機庫函數(shù)降低了研發(fā)周期。FOC+SVPWM方法進一步提高了交流伺服系統(tǒng)的性能，使其具有與直流電機一樣的調(diào)速性能。該系統(tǒng)已應用到實際的圓網(wǎng)印花機環(huán)境中。通過實踐驗證該系統(tǒng)具有較強的魯棒性，符合工業(yè)控制的需要。
關鍵詞：永磁同步電機；STM32；FOC+SVPWM

引言
    近年來，隨著微電子技術、電力電子技術、現(xiàn)代控制技術、材料技術的迅速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，交流永磁同步電機以其體積小、結構簡單等特點在工農(nóng)業(yè)、日常生活以及許多高科技中迅速得到了廣泛的應用。因此，研究設計高精度、高性能的永磁同步電機成為現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。
    伺服驅(qū)動器按照功能特征可分為功率板和控制板兩個獨立的模塊，本文在分析交流永磁同步電機控制性能的基礎上分別對控制單元和功率驅(qū)動單元進行了具體的設計。控制單元作為伺服系統(tǒng)的核心，要求有較高的性能，為此，論文采用意法半導體推出的STM32作為控制核心芯片。它是基于ARM先進架構的Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達72 MHz。強大的內(nèi)核及其豐富的外設使其在馬達控制應用領域得到廣泛的使用。功率驅(qū)動單元應用了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、過電流和溫度檢測等保護電路，簡化了伺服系統(tǒng)單元的設計，實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的模塊化和微型化。

1 PMSM伺服系統(tǒng)的基本構架
    PMSM控制系統(tǒng)的原理構成如圖1所示，它包括主電路、伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元以及信號反饋采集單元。

    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以其價格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點成為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制核心的一種趨勢。功率驅(qū)動單元采用以智能功率模塊IPM為核心設計的驅(qū)動芯片，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能及時進行自我保護，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號經(jīng)過反饋傳輸?shù)絊TM32內(nèi)部，進行精確、快速的處理后輸出，以實現(xiàn)各個部件的實時性控制。在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計
    功率驅(qū)動模塊作為伺服系統(tǒng)的強電部分包括兩個單元：一是開關電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源，二是功率驅(qū)動單元IPM用于電機的驅(qū)動。功率版的設計中包括6個硬件保護功能，分別是單相過流(正反向電流)保護、母線過流(正反向電流)保護、剎車過流(正反向電流)保護、母線過壓保護、母線欠壓保護、溫度過高保護。每路保護都有LED報警顯示，同時為了增強可靠性，保護發(fā)生后都會分別給MCU和柵極驅(qū)動器發(fā)送關斷信號，保護功率器件IPM，防止元件的損壞，而且該信號必須要求單獨的復位信號才能取消，否則保護電路會一直起作用，防止誤操作損壞設備和影響人身安全。
2．1 TOP—Switch開關電源
    由TOP—Switch系列芯片構成的應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90％，芯片內(nèi)部還集成了自動復位啟動和限流功能電路。為了實現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全保護，芯片內(nèi)部還具有一個觸發(fā)式熱關斷電路，可構成反激式、正激式、升壓式和降壓式結構的電源電路。本文采用TOP-222芯片設計了一款反激式開關電源，輸出4路獨立+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)動芯片采用FSAM20SH60，輸出100～253 V交流電壓，最大驅(qū)動功率1．5 kW，開關頻率可達15 kHz。內(nèi)部集成了電壓、電流保護電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可及時切斷輸出電流，保護電機不被燒毀。如圖2所示，STM32內(nèi)部通過相應的算法輸出6路PWM信號，經(jīng)光耦HCPL-4050隔離放大后作為IPM的輸入信號，來控制逆變橋的導通與關斷，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確控制。其中，逆變器的每個上橋壁分別采用獨立的控制電源以提高系統(tǒng)的可靠性，這個獨立的電源由開關電源來提供。

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2．3 溫度檢測電路
    IPM芯片內(nèi)部集成了溫度保護功能，圖3為IPM驅(qū)動芯片的溫度檢測電路。芯片內(nèi)部含有熱敏電阻，當溫度過高時就會通過檢測電路的電壓比較器輸出故障信號反饋給IPM芯片的7引腳，在芯片內(nèi)部經(jīng)分析處理后采取及時的措施對系統(tǒng)進行保護，如將IGBT軟遮斷，當溫度正常時再解除保護。

2．4 電流檢測電路
    對于數(shù)字化伺服電機控制系統(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時性很大程度上決定了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，精確的電流檢測是提高系統(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，將電流信號經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷麟妷盒盘栞敵?，然后?jīng)運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，論文即采取這種檢測方式。圖4為電流檢測電路，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算放大器，再將比較后的值輸入到控制芯片STM32中進行準確的計算，從而得出當前的電流值。由于PMSM為三相對稱電機，即Ia+Ib+Ic=0，因此，研究檢測其中兩相就能得到三相電流。

3 STM32驅(qū)動PMSM原理及實現(xiàn)
    控制模塊作為電機驅(qū)動的弱電部分，是電機的控制核心，也是伺服驅(qū)動技術核心控制算法的運行載體。控制芯片性能的優(yōu)劣直接影響整個伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能。意法半導體的STM32是采用基于ARM工業(yè)標準嵌入式處理器Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達72MHz，內(nèi)置Flash和SRAM(容量可分別高達512 KB和64 KB)。強大的內(nèi)核及其豐富的外設，使其在無刷馬達控制應用領域得到了廣泛的使用。馬達控制配套軟件庫V2.0包含電機矢量控制函數(shù)庫，新增支持單旁路無傳感器控制、內(nèi)部永磁(IPM)電機控制和永磁同步(PMSM)電機弱磁控制的算法，極大地簡化了電機的控制，縮短了研發(fā)周期?；诖?，論文選取STM32作為控制核心芯片，針對PMSM的控制提出了FOC+SVPWM控制算法。FOC(矢量控制)的應用使得交流PMSM具有直流電機一樣的特性，解決了交流電機強耦合、非線性的問題，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，實現(xiàn)對PMSM電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制。[!--empirenews.page--]
3．1 FOC+SVPWM的控制原理
    矢量控制的實質(zhì)是坐標變換，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系中的Iα、Iβ，再經(jīng)過Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中的Id、Iq。通常在控制時令Id=0，實現(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)逆變器功率開關管的開關狀態(tài)和導通順序?qū)A形空間旋轉(zhuǎn)磁場分成6個扇區(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前所處的扇區(qū)，通過相應的控制算法輸出6路PWM信號控制逆變器橋開關管的導通和關斷時間，實現(xiàn)對電機的調(diào)速控制。圖5為PMSM矢量控制的原理圖。

3．2 STM32實現(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，然后進行Clarke函數(shù)變換得到兩項靜止坐標系中的電流Iα、Iβ，再經(jīng)過Park函數(shù)得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中的Id、Iq。給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速進行PI調(diào)節(jié)后，輸出信號作為電流環(huán)的輸入給定信號Iqref。Id的給定值Idref=0，轉(zhuǎn)矩電流Iq和勵磁電流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)坐標系Vd、Vq，由Vd、Vq的值判斷空間矢量的扇區(qū)號S，從而實現(xiàn)對電機轉(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的定時精度，其內(nèi)部高級定時器是由一個自動重裝載的16位計數(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PWM)。PWM的輸出模式有邊沿和中心對稱兩種模式，由于中心對稱模式下PWM波形沒有精度損失，因此，論文選取中心對稱模式下的7路帶死區(qū)互補輸出的PWM作為驅(qū)動芯片的控制信號。
    電機控制PWM信號是由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控制電機的主程序中應包含如下兩個函數(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)時間(ns)及寄存器更新率REP_RATE。
    這兩個函數(shù)的定義如下：
   

結語
    本文所設計的基于STM32的交流PMSM控制，結合先進的IPM功率逆變器，簡化了硬件電路的設計，充分利用以Cotex-M3為內(nèi)核的STM32的優(yōu)勢，其豐富的固件庫函數(shù)縮短了開發(fā)周期。圓網(wǎng)印花機的實踐應用表明，基于STM32的交流PMSM具有良好的動態(tài)性能，符合工業(yè)控制的需求。