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A(yíng)RM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。

　　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。

　　基于Harvard架構，這個(gè)32位RISC采用Thumb2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1所示是STM32F103中容量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。

　　圖1：STM32F103中容量微控制器結構框圖

　　即使最復雜的算法幾乎也無(wú)法修正不精確的模擬測量值，但是，在某種程度上，電機驅動(dòng)系統的總體性能取決于模數轉換器的質(zhì)量。STM32F103芯片內置三個(gè)采樣率為1MSps的12位模數轉換器，在整個(gè)溫度和電壓范圍內，總不可調整誤差(TUE)低于5LSB。模數轉換器的數字接口有三個(gè)主要功能：首先，使CPU擺脫簡(jiǎn)單控制任務(wù)和數據處理;其次連接芯片的其余部件(中斷請求、DMA請求、觸發(fā)輸入);最后，使STM32的多路轉換器同步操作。在這些對無(wú)刷電機控制有用的功能中，我們首先考慮通道讀序列發(fā)生器。對比傳統的掃描電路(按照模擬輸入序號，按序轉換一定數量的通道)，在一個(gè)16個(gè)轉換通道組成的順列(例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11)內，序列發(fā)生器可按任何順序轉換通道，當設計人員在設計印刷電路板時(shí)，這個(gè)功能給設計人員帶來(lái)更高的設計靈活性，為實(shí)現平均轉換目的，準許對同一通道進(jìn)行多次采樣(在一個(gè)序列內)，當整個(gè)序列轉換完畢后，DMA通道將轉換結果送到RAM，中斷處理程序產(chǎn)生一個(gè)中斷請求。

　　在檢測電機相位電流的過(guò)程中，瞬變電壓在功率開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生的噪聲(在離線(xiàn)開(kāi)關(guān)應用中，典型噪聲達到幾百個(gè)V/μs)是引起讀取誤差的一個(gè)重要原因，可能導致測量結果的信噪比非常低。解決方案是使模數轉換器與控制功率級的定時(shí)器同步：因為換向時(shí)刻可以預定(由3 PWM定時(shí)器的比較寄存器定義)，所以可以使用一個(gè)額外比較通道在換向時(shí)刻稍前或稍后觸發(fā)模數轉換操作?；谶@個(gè)原因，STM32啟用了第二個(gè)序列發(fā)生器(又稱(chēng)注入序列發(fā)生器)，該序列發(fā)生器的優(yōu)先級高于正常序列發(fā)生器，可以用一個(gè)不能延遲的新轉換操作使當前的轉換操作中斷。通常情況下，正常序列發(fā)生器負責“內部管理”轉換，連續檢測溫度或直流總線(xiàn)電壓(作為后臺任務(wù))，然后通過(guò)DMA通道發(fā)送到RAM，而注入序列發(fā)生器則將處理時(shí)間關(guān)鍵的轉換操作，并將轉換結果存儲在模數轉換器寄存器(將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，但是不能接受延時(shí))。

　　對于一個(gè)能夠執行先進(jìn)的電機控制功能的通用微控制器，擁有微控制器是一回事，而開(kāi)發(fā)輕松入門(mén)卻是另一回事。利用軟硬件工具可以把這個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面都處理好。首先是擁有一套電機控制開(kāi)發(fā)入門(mén)工具，包含測試工具(JTAG探針和光隔離器)、微控制器芯片以及功率級電路板和演示用PMSM電機，這套工具用于產(chǎn)品性能評估和開(kāi)發(fā)用途。模塊化設計有助于升級演示應用(例如雙電機控制微控制器電路板)，評估多個(gè)(或定制)功率級。最后，意法半導體為STM32客戶(hù)免費提供電機控制軟件庫。2.0版電機控制軟件庫利用頭文件內的一個(gè)簡(jiǎn)單且低廉的#define聲明列表支持各種配置。軟件庫包含交流感應電機和同步電機的磁場(chǎng)定向控制算法，為簡(jiǎn)化代碼的可讀性和可維護性，這些算法采用C編程語(yǔ)言，再次證明了現代編譯器的效率。該軟件庫還針對PMSM電機提供一個(gè)穩健的無(wú)傳感器控制算法(基于磁通觀(guān)測器)，以及一個(gè)超高速內部永磁電機(IPM)專(zhuān)用控制算法。當然，該軟件還支持普通轉速和位置傳感器(增量編碼器、霍爾傳感器或轉速傳感器)。通過(guò)使用隔離傳感器或分流器，STM32支持三種電流檢測方法。STM32外設可以實(shí)現一個(gè)創(chuàng )新的單電流檢測方法，利用成本最低的配置(一個(gè)簡(jiǎn)單的獨特的電阻器)執行矢量控制。因為能夠最大限度降低本征電流失真率，這項技術(shù)已取得專(zhuān)利權。

　　意法半導體目前的主要開(kāi)發(fā)項目是控制電機直到靜止狀態(tài)的無(wú)傳感器永磁電機控制和內置功率因數校正功能的雙電機控制。最近，意法半導體成功演示了單電流檢測方法，僅一個(gè)STM32微控制器就能執行兩個(gè)單電流檢測矢量控制功能，同時(shí)還用一個(gè)40kHz的控制回路管理PFC級(詳見(jiàn)圖2)。

　　圖2：STM32F103HD可以同時(shí)處理雙電機控制和數字PF

　　從功率開(kāi)關(guān)分立器件，到復雜的系統芯片，意法半導體承諾以其獨有的產(chǎn)品組合長(cháng)期支持電機控制市場(chǎng)。STM32微控制器產(chǎn)品線(xiàn)將繼續沿四個(gè)新方向部署，如圖3所示，其中兩個(gè)方向適用于電機控制。第一個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)將面向低成本市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)低端的16位電機控制微控制器。另一個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)以高性能為訴求，面向需要更高處理性能、更大存儲容量和高帶寬接口的應用。如此寬廣的產(chǎn)品組合結合Cortex-M3內核，勢必確立STM32架構適用于現在和未來(lái)電機驅動(dòng)的多功能性。

　　圖3：STM32:強固的增長(cháng)基礎