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

　　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)出了其他的電機(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°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(在其他控制方法中)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1k~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DSP、微處理器或FGPA器件被用作控制器的原因。

　　盡管專用雙模控制器和低端定點(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。該方案可很好地滿足大量無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求，從一次性工程費(fèi)用的角度看，其優(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)，此32位RISC采用umb2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2所示是STM32F103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。