STM32微控制器基于Cortex-M3处理先进电机的控制方法郑州

　　变频器的问世和先辈的电机节制方式让三相无刷电机（交换电机或永磁同步电机）已经在调速使用范畴取得庞大成功。这些高机能的电机驱动器过去次要用于工场主动化系统和机械人。十年来，电子元器件的大幅降价使得这些电机驱动器可以或许进入对成本的市场，例如：家电、空调或小我医疗设备。本文将切磋基于ARM的尺度微节制器若何在一个被DSP和FPGA持久垄断的市场上打破复杂的节制模式，我们将以意法半导体的基于Cortex-M3内核的STM32系列微节制器鞋架为例阐述这个过程。

　　起首，我们回首一下电机节制的根基道理。在电机节制系统内，为什么处置器很是主要？我们为什么需要很是好的计较机能？终究，NicolasTesla在一个世纪前发现交换电机时不需要编译器。只需需要调五大连池速，人们无法回避利用逆变器驱动一个机能不错的3相电机，节制一个永磁同步电机(PMSM)运转更离不开逆变器，这个复杂的功率电子系统的焦点是一个直流转交换的3相逆变器，此中微节制器起到办理感化，以全数字体例施行通俗的三位一体的节制功能：检测（电流、转速、角度）、处置（算法、内务办理）、节制功率开关（最低的设置装备摆设也至多有6个开关）。

　　采用标量节制是一个三订交流电机实现变速运转的最简单体例。标量节制道理是在到电机的频次和电压之间连结一个恒比。对于入门级电机驱动器，这是一个很是支流的节制方式，适合负载特征很是通俗且节制带宽要求不高的使用（如功率很是小的电泵和电扇）。倒霉地是，并不是所有的使用都能如斯简单的节制过程及其使用。出格是，标量节制在瞬变内不克不及最佳的电机机能（转矩、能效）。为降服这些，人们开辟出了其它的电机节制方式，此中定向节制（又称矢量节制）是使用最普遍的方式之一。这种节制体例操纵两个去耦直流节制器，不管运转频次若何（例如转速），以驱动分隔励磁电机的体例驱动任何一种交换电机（电机或永磁电机）。励磁电流与直流的主磁通量（在一个PMSM电机内的磁体磁通量）相关，而90移相电流能够节制转矩，功能相当于直流电机的电枢电流。当负载变化时，定向节制体例可实现切确的转速节制，并且响应速度快，使定子磁通量和转子磁通量连结完满的90度相位差，即便在瞬变工作内，仍然可以或许优化的能效，这是实现以电机拓扑为标记的更复杂的节制方式所根据的根基理论框架，出格是对于PMSM电机，这个理论是无传感器电机驱动器的根本，既能够大幅降低成本（不再需要转速或转角传感器和相关的连线），同时还能提高电机靠得住性。在这种环境下，必需只利用电机数学模子、电流值和电压值，通过计较方式估算转子角度。在最低分钟转数只要几百转的环境下，这种形态观测器理论（在其它节制方式中）能够实现无传感器的转速节制，在某些环境下，最低分钟转数是静止形态。不外，这对CPU是一个额外的及时负荷。最初，微节制器必需以1KHz到20KHz的速度持续从头计较矢量节制算法，具体速度取决于最终使用带宽，处置Parke和Clarke转换和实现多个PID节制器和软件锁相环确实需要高强度的数字计较，这就是过去为什么数字信号处置器、微处置器或FGPA器件被用作节制器的缘由。

　　虽然公用双模节制器和低端定点DSP架构曾经问世，可是意法半导体仍然选择利用Cortex-M3内核开辟STM32微节制器。这个处理方案可很好地满足大量的无刷电机驱动器的要求，从一次性工程费用的角度看，该处理方案的长处是采用行业尺度的ARM®内核和尺度微节制器的成本效益。

　　基于Harvard架构，这个32位RISC采用Thumb2指令集，供给16位和32位指令。对比纯32位代码，这个指令集可以或许大幅提高代码密度，同时保留原有ARM7指令集的大都长处（附加优化的乘加运算和硬件除法指令）。

　　电机节制系统要求微节制器须具备杰出的及时响应性（中缀延时短）、纯处置功能（如单周期乘法）以及优异的节制机能（当处置非序列施行流和前提转移指令时）。Cortex-M3可以或许满足所有这些要求。例如，其时钟频次是72MHz时，在25s内对一个永磁电机完成一次无传感器定向节制，这相当于在10kHz采样率下25%的CPU负荷。

　　在STM32微节制器内，该内核与意法半导体优化型闪存接口慎密共同，只需添加很少的外部元器件，周边外设即可处置外部事务（图2所示是STM32F103中容量微节制器的布局框图)。不消说，PWM按时器和模数转换器是最主要元器件。PWM按时器包罗最先辈的功能，如地方对齐模式PWM信号生成和死区时间插入逻辑，出格强调平安性:该模块间接节制功率开关换向，可控开关功率达到数千瓦。例如，用于设置装备摆设某些主要参数的寄放器代码能够被锁，以防软件失效。只需告急遏制引脚被拉低，所有的I/O引脚都被置于用户可设置装备摆设的平安形态。这个功能设想采用组合逻辑模块，当主时钟（晶体）失效时，内部切换到后备振荡器之前，可确保电仍然可以或许一般工作。最初，该微节制器还包含一个第4比力通道，特地用于触发模数转换器，实现最佳的电流丈量精度。

　　即便最复杂的算法几乎也无法批改不切确的模仿丈量值，可是，在某种程度上，电机驱动系统的总体机能取决于模数转换器的质量。STM32F103芯片内置三个采样率为1MSps的12位模数转换器，在整个温度和电压范畴内，总不成调整误差(TUE)低于5LSB。模数转换器的数字接口有三个次要功能：起首，使CPU脱节简单节制使命和数据处置；其次毗连芯片的其余部件（中缀请求、DMA请求、触发输入）；最初，使STM32的多转换器同步操作。在这些对无刷电机节制有用的功能中，我们起首考虑通道读序列发生器。对比保守的扫描电（按照模仿输入序号，按序转换必然数量的通道），在一个16个转换通道构成的顺列（例如：Ch3,宜州Ch3,Ch0,Ch11）内，序列发生器可按任何挨次转换通道，当设想人员在设想印刷电板时，这个功能给设想人员带来更高的设想矫捷性，为实现平均转换目标，答应对统一通道进行多次采样（在一个序列内），当整个序列转换完毕后，DMA通道将转换成果送到RAM，中缀处置法式发生一个中缀请求。

　　在检测电机相位电流的过程中，瞬变电压在功率开关上发生的噪声（在离线开关使用中，典型噪声达到几百个V/s）是惹起读取误差的一个主要缘由，可能导致丈量成果的信噪比很是低。处理方案是使模数转换器与节制功率级的按时器同步：由于换向时辰能够预定（由3PWM按时器的比力寄放器定义），所以能够利用一个额外比力通道在换向时辰稍前或稍后触发模数转换操作。基于这个缘由，STM32启用了第二个序列发生器（又称注入序列发生器），该序列发生器的优先级高于一般序列发生器，能够用一个不克不及延迟的新转换操作使当前的转换操作中缀。凡是环境下，一般序列发生器担任内部办理转换，持续检测温度或直流总线电压（作为后台使命），然后通过DMA通道发送到RAM，而注入序列发生器则将处置时间环节的转换操作，并将转换成果存储在模数转换器寄放器（将会发生汽摩配件一个中缀，可是不克不及接管延时）。