基于Cortex-M3的 STM32微控制器處理先進(jìn)電機控制方法

變頻器的問(wèn)世和先進(jìn)的電機控制方法讓三相無(wú)刷電機（交流感應電機或永磁同步電機）曾經(jīng)在調速應用領(lǐng)域取得巨大成功。這些高性能的電機驅動(dòng)器過(guò)去主要用于工廠(chǎng)自動(dòng)化系統和機器人。十年來(lái)，電子元器件的大幅降價(jià)使得這些電機驅動(dòng)器能夠進(jìn)入對成本敏感的市場(chǎng)，例如：家電、空調或個(gè)人醫療設備。本文將探討基于ARM的標準微控制器如何在一個(gè)被DSP和FPGA長(cháng)期壟斷的市場(chǎng)上打破復雜的控制模式，我們將以意法半導體的基于Cortex-M3 內核的STM32系列微控制器為例論述這個(gè)過(guò)程。

圖 3：STM32:強固的增長(cháng)基礎

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)出了其它的電機控制方法，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度相位差，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（在其它控制方法中）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1KHz到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)去為什么數字信號處理器、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。這個(gè)解決方案可很好地滿(mǎn)足大量的無(wú)刷電機驅動(dòng)器的要求，從一次性工程費用的角度看，該解決方案的優(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。