基于Cortex-M3的STM32微控制器處理先進(jìn)電機控制方法

　　首先，我們回顧一下電機控制的基本原理。在電機控制系統內，為什么處理器非常重要?我們?yōu)槭裁葱枰浅：玫挠嬎阈阅?畢竟，Nicolas Tesla在一個(gè)世紀前發(fā)明交流電機時(shí)不需要編譯器。只要需要調速，人們無(wú)法回避使用逆變器驅動(dòng)一個(gè)性能不錯的3相電機，控制一個(gè)永磁同步電機(PMSM)運轉更離不開(kāi)逆變器，這個(gè)復雜的功率電子系統的核心是一個(gè)直流轉交流的3相逆變器，其中微控制器起到管理作用，以全數字方式執行普通的三位一體的控制功能：檢測(電流、轉速、角度?)、處理(算法、內務(wù)管理?)、控制功率開(kāi)關(guān)(最低的配置也至少有6個(gè)開(kāi)關(guān))。

　　采用標量控制是一個(gè)三相交流電機實(shí)現變速運轉的最簡(jiǎn)單方式。標量控制原理是在施加到電機的頻率和電壓之間保持一個(gè)恒比。對于入門(mén)級電機驅動(dòng)器，這是一個(gè)非常主流的控制方法，適合負載特性非常普通且控制帶寬要求不高的應用(如功率非常小的電泵和風(fēng)扇)。不幸地是，并不是所有的應用都能忍受如此簡(jiǎn)單的控制過(guò)程及其應用限制。特別是，標量控制在瞬變環(huán)境內不能保證最佳的電機性能(轉矩、能效)。為克服這些限制，人們開(kāi)發(fā)出了其他的電機控制方法，其中磁場(chǎng)定向控制(又稱(chēng)矢量控制)是應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，不管運轉頻率如何(例如轉速)，以驅動(dòng)分開(kāi)勵磁電機的方式驅動(dòng)任何一種交流電機(感應電機或永磁電機)。勵磁電流與直流的主磁通量(在一個(gè)PMSM電機內的磁體磁通量)有關(guān) ，而 90°移相電流可以控制轉矩，功能相當于直流電機的電樞電流。當負載變化時(shí)，磁場(chǎng)定向控制方式可實(shí)現精確的轉速控制，而且響應速度快，使定子磁通量和轉子磁通量保持完美的90°相位差，即便在瞬變工作環(huán)境內，仍然能夠保證優(yōu)化的能效，這是實(shí)現以電機拓撲為標志的更復雜的控制方法所依據的基本理論框架，特別是對于PMSM電機，這個(gè)理論是無(wú)傳感器電機驅動(dòng)器的基礎，既可以大幅降低成本(不再需要轉速或轉角傳感器和相關(guān)的連線(xiàn))，同時(shí)還能提高電機可靠性。在這種情況下，必須只使用電機數學(xué)模型、電流值和電壓值，通過(guò)計算方法估算轉子角度位置。在最低分鐘轉數只有幾百轉的情況下，這種狀態(tài)觀(guān)測器理論(在其他控制方法中)可以實(shí)現無(wú)傳感器的轉速控制;在某些情況下，最低分鐘轉數是靜止狀態(tài)。不過(guò)，這對CPU是一個(gè)額外的實(shí)時(shí)負荷。最后，微控制器必須以1k~20kHz的速率連續重新計算矢量控制算法，具體速率取決于最終應用帶寬，處理Parke和Clarke轉換和實(shí)現多個(gè)PID控制器和軟件鎖相環(huán)確實(shí)需要高強度的數字計算，這就是過(guò)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(zhuān)用雙?？刂破骱偷投硕c(diǎn)DSP架構已經(jīng)問(wèn)世，但是意法半導體仍然選擇使用Cortex-M3內核開(kāi)發(fā)STM32微控制器。該方案可很好地滿(mǎn)足大量無(wú)刷電機驅動(dòng)器的要求，從一次性工程費用的角度看，其優(yōu)點(diǎn)是采用行業(yè)標準的ARM內核和標準微控制器的成本效益。

　　基于Harvard架構，此32位RISC采用umb2指令集，提供16位和32位指令。對比純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指令集的多數優(yōu)點(diǎn)(附加優(yōu)化的乘加運算和硬件除法指令)。

　　電機控制系統要求微控制器須具備卓越的實(shí)時(shí)響應性(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(當處理非序列執行流和條件轉移指令時(shí))。Cortex-M3能夠滿(mǎn)足所有這些要求。例如，當時(shí)鐘頻率是72MHz時(shí)，在25μs內對一個(gè)永磁電機完成一次無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制，這相當于在10kHz采樣率下25% 的CPU負荷。

　　在STM32微控制器內，該內核與意法半導體優(yōu)化型閃存接口緊密配合，只需增加很少的外部元器件，周邊外設即可處理外部事件(圖2所示是STM32F103微控制器的結構框圖)。不用說(shuō)，PWM定時(shí)器和模數轉換器是最重要元器件。PWM定時(shí)器包括最先進(jìn)的功能，如中央對齊模式PWM信號生成和死區時(shí)間插入邏輯，特別強調安全性：該模塊直接控制功率開(kāi)關(guān)換向，可控開(kāi)關(guān)功率達到數千瓦。例如，用于配置某些重要參數的寄存器代碼可以被鎖保護，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(hù)可配置的安全狀態(tài)。這個(gè)功能設計采用組合邏輯模塊，當主時(shí)鐘(晶體)失效時(shí)，內部切換到后備振蕩器之前，可確保保護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(zhuān)門(mén)用于觸發(fā)模數轉換器，實(shí)現最佳的電流測量精度。