基于STM32的永磁同步電機伺服控制器設(shè)計

摘要：首先介紹了永磁同步電機伺服控制器的基本功能及控制原理，并以STM32F407為基礎(chǔ)進(jìn)行了小功率的伺服控制器設(shè)計，詳細(xì)講述了伺服控制器的軟、硬件的具體設(shè)計流程及其實現(xiàn)方式。并通過意法半導(dǎo)體公司提供的相關(guān)軟件設(shè)計工具快速、有效地完成伺服控制器的設(shè)計、調(diào)試。

自20世紀(jì)90年代以來，隨著現(xiàn)代電機技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論及計算機技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)得到極大的發(fā)展，使得先前困擾著交流伺服系統(tǒng)的電機控制復(fù)雜、調(diào)速性能差等問題取得了突破性的進(jìn)展。交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價格趨于合理，使得交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)，尤其是在高精度、高性能、智能化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化要求的伺服控制領(lǐng)域成了一個發(fā)展趨勢。

在伺服控制器中，為了保證伺服控制良好的實時性、準(zhǔn)確性及靈活性，常采用專用于電機控制的DSP(DSC)或FPGA作為控制核心，這些芯片都針對電機控制做了大量的優(yōu)化，如：帶死區(qū)的互補型PWM，多種觸發(fā)、同步方式的快速ADC，高可靠性和抗干擾性。但它們都不約而同地將芯片的設(shè)計重心偏向了電機控制本身，而少了對網(wǎng)絡(luò)化的支持。由于現(xiàn)在伺服控制器正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，DSP或FPGA作為伺服控制器的核心，不但應(yīng)具有良好的電機控制特性，而且更要有良好的互聯(lián)性，以適應(yīng)伺服單元與其它控制設(shè)備間飛速增長的互聯(lián)能力。這方面，意法半導(dǎo)體的基于ARM Cortex—M4內(nèi)核的STM32F407系列芯片就做到非常到位，STM32F407芯片內(nèi)置的單精度FPU和1MB的閃存，使它不但運算速度快(168 MHz，2.79Coremark/MHz)、運算精度高，使得復(fù)雜的電機控制算法得以實施，而且具有IEEE1588 v2 10/100 M以太網(wǎng)接口、CAN2.0接口和USART接口以方便和不同的控制設(shè)備互聯(lián)互通。另外，芯片自帶的加密/哈希硬件處理器保證了產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)不至輕易被盜。

使用意法半導(dǎo)體(ST)的STM32F407芯片不但在硬件上大幅減小了外部器件的種類及數(shù)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的可靠性;而且提供了通用外設(shè)庫、DSP算法庫、交流永磁電機(Permanent Magnet Synchronous Motor以下簡稱：PMSM)的場定向(Field Oriented Control以下簡稱：FOC)庫，圖形化芯片外設(shè)配置軟件Microxplorer和支持實時變量監(jiān)控及可視化調(diào)試的軟件STMStudio，以加快設(shè)計開發(fā)人員的產(chǎn)品開發(fā)速度。

1 伺服控制器的方案設(shè)計

1.1 伺服控制器設(shè)計原理

由于伺服系統(tǒng)具有高帶寬、高精度、大扭矩的特點，為達(dá)到伺服控制要求，采用技術(shù)成熟的交流永磁同步電機作為被控對象，將伺服系統(tǒng)設(shè)計成一個具有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)回路的復(fù)合控制系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)最終追求的是外環(huán)定位的準(zhǔn)確性和快速性，而外環(huán)的性能發(fā)揮在于內(nèi)環(huán)的性能。電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計是高性能伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提，是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。伺服控制系統(tǒng)的原理框圖見圖1。

1.2 基于STM32F407芯片的伺服控制器的硬件實現(xiàn)

基于STM32F407芯片的伺服控制器原理框圖如下：

由圖2可知：基于STM32F407芯片的伺服控制器使用的元件少，結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)。現(xiàn)就基于STM32F407芯片的伺服控制器各部分分述如下：

1.2.1 電源供電

本方案中驅(qū)動的電機為24 V～48 V的中小功率PMSM，所以直流母線電壓應(yīng)該在DC 24 V～48 V之間，最低不能低于DC18 V。

采用L7815CP三端穩(wěn)壓模塊將直流母線電壓降為15 V，供IGBT驅(qū)動器L6390使用;

采用L7805CP三端穩(wěn)壓模塊將15 V電壓降為5 V，供電機的碼盤、電流傳感器ACS706、數(shù)據(jù)緩沖74LV244以及運放TSV994使用;

采用AMS1117低壓差穩(wěn)壓器將5 V轉(zhuǎn)為3.3 V，供SFM32F407芯片及UART PHY接口芯片C3222B、CAN PHY接口芯片4和以太網(wǎng)PHY接口芯片DP83848T供電。

1.2.2 與上位機/PLC的接口電路

本方案中與上位機/PLC的接口有三種方式，分別是RS232串口、CAN接口和以太網(wǎng)接口，因為STM32F407芯片不提供相應(yīng)的物理層接口，為此選用ST公司的C3222B作為RS232的接口芯片，TI公司的SN65HVD234和DP83848T作為CAN和以太網(wǎng)的接口芯片。

1.2.3 IGBT及其驅(qū)動電路

本方案選用ST公司的IGBT，型號是STGF7NC60HD，該款I(lǐng)GBT的耐壓為Vce=600V，在100℃時的允許電流為Ic=6 A，飽和壓降Vces=2.4 V，柵極充電電荷Qg=48 nC，由于其Qg較小，所以其最大開關(guān)頻率可達(dá)70 kHz。

選用的IGBT驅(qū)動芯片為ST公司的L6390半橋驅(qū)動芯片，它采用BCD離線技術(shù)，使其可以在600 V下工作。

1.2.4 電壓電流采樣電路

本方案先將直流母線電壓通過電阻分壓后，再用運放變換至合適的電平供STM32F407芯片內(nèi)部的ADC采樣。STM32F407芯片通過采樣直流母線電壓來進(jìn)行直流母線紋波補償。

本方案選用allegro公司的HALL電流傳感器ACS706，來對V相、W相電流進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行FOC控制算法，控制電機的轉(zhuǎn)動。之所以選用ACS706，是為了進(jìn)行高低壓隔離，防止系統(tǒng)功率部分產(chǎn)生的干擾串入STM32F407芯片。

1.2.5 故障保護(hù)電路

在電流采樣電路的基礎(chǔ)上，通過比較器設(shè)定過流門限，當(dāng)電流超限時，啟動制動電路，停止PWM輸出，并進(jìn)行故障指示。

在電壓采樣電路的基礎(chǔ)上，通過軟件設(shè)定過壓、欠壓門限，當(dāng)電壓超限時，啟動制動電路，停止PWM輸出，并進(jìn)行故障指示。

1.2.6 碼盤接口電路

本方案通過74LV244將電機的HALL碼盤信號由TTL電平變換為LVTTL信號，送STM32F407芯片進(jìn)行處理。

1.3 基于STM32F407芯片的伺服控制器的軟件實現(xiàn)