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(guò)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(lái)，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(guò)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(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)流(正反向電流)保護(hù)、母線(xiàn)過(guò)流(正反向電流)保護(hù)、剎車(chē)過(guò)流(正反向電流)保護(hù)、母線(xiàn)過(guò)壓保護(hù)、母線(xiàn)欠壓保護(hù)、溫度過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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。