基于STM32的永磁同步電機伺服控制器設計

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為基礎進(jìn)行了小功率的伺服控制器設計，詳細講述了伺服控制器的軟、硬件的具體設計流程及其實(shí)現方式。并通過(guò)意法半導體公司提供的相關(guān)軟件設計工具快速、有效地完成伺服控制器的設計、調試。

自20世紀90年代以來(lái)，隨著(zhù)現代電機技術(shù)、現代電力電子技術(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(zhù)交流伺服系統的電機控制復雜、調速性能差等問(wèn)題取得了突破性的進(jìn)展。交流伺服系統的性能日漸提高，價(jià)格趨于合理，使得交流伺服系統取代直流伺服系統，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(gè)發(fā)展趨勢。

在伺服控制器中，為了保證伺服控制良好的實(shí)時(shí)性、準確性及靈活性，常采用專(zhuān)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，以適應伺服單元與其它控制設備間飛速增長(cháng)的互聯(lián)能力。這方面，意法半導體的基于A(yíng)RM Cortex—M4內核的STM32F407系列芯片就做到非常到位，STM32F407芯片內置的單精度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，使得復雜的電機控制算法得以實(shí)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)權不至輕易被盜。

使用意法半導體(ST)的STM32F407芯片不但在硬件上大幅減小了外部器件的種類(lèi)及數量，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庫、DSP算法庫、交流永磁電機(Permanent Magnet Synchronous Motor以下簡(jiǎn)稱(chēng)：PMSM)的場(chǎng)定向(Field Oriented Control以下簡(jiǎn)稱(chēng)：FOC)庫，圖形化芯片外設配置軟件Microxplorer和支持實(shí)時(shí)變量監控及可視化調試的軟件STMStudio，以加快設計開(kāi)發(fā)人員的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。

1 伺服控制器的方案設計

1.1 伺服控制器設計原理

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

伺服系統最終追求的是外環(huán)定位的準確性和快速性，而外環(huán)的性能發(fā)揮在于內環(huán)的性能。電流內環(huán)的設計是高性能伺服系統的基礎和前提，是提高伺服系統控制精度和響應速度、改善控制性能的關(guān)鍵。伺服控制系統的原理框圖見(jiàn)圖1。

1.2 基于STM32F407芯片的伺服控制器的硬件實(shí)現

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，結構簡(jiǎn)單，易于開(kāi)發(fā)?，F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

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

采用L7815CP三端穩壓模塊將直流母線(xiàn)電壓降為15 V，供IGBT驅動(dòng)器L6390使用;

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

采用AMS1117低壓差穩壓器將5 V轉為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及其驅動(dòng)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(shí)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(kāi)關(guān)頻率可達70 kHz。

選用的IGBT驅動(dòng)芯片為ST公司的L6390半橋驅動(dòng)芯片，它采用BCD離線(xiàn)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(xiàn)電壓通過(guò)電阻分壓后，再用運放變換至合適的電平供STM32F407芯片內部的ADC采樣。STM32F407芯片通過(guò)采樣直流母線(xiàn)電壓來(lái)進(jìn)行直流母線(xiàn)紋波補償。

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

1.2.5 故障保護電路

在電流采樣電路的基礎上，通過(guò)比較器設定過(guò)流門(mén)限，當電流超限時(shí)，啟動(dòng)制動(dòng)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上，通過(guò)軟件設定過(guò)壓、欠壓門(mén)限，當電壓超限時(shí)，啟動(dòng)制動(dòng)電路，停止PWM輸出，并進(jìn)行故障指示。

1.2.6 碼盤(pán)接口電路

本方案通過(guò)74LV244將電機的HALL碼盤(pán)信號由TTL電平變換為L(cháng)VTTL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(shí)現