基于Cortex-M3的 STM32微控制器處理先進電機控制方法

變頻器的問世和先進的電機控制方法讓三相無刷電機（交流感應電機或永磁同步電機）曾經(jīng)在調(diào)速應用領(lǐng)域取得巨大成功。這些高性能的電機驅(qū)動器過去主要用于工廠自動化系統(tǒng)和機器人。十年來，電子元器件的大幅降價使得這些電機驅(qū)動器能夠進入對成本敏感的市場，例如：家電、空調(diào)或個人醫(yī)療設(shè)備。本文將探討基于ARM的標準微控制器如何在一個被DSP和FPGA長期壟斷的市場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(nèi)核的STM32系列微控制器為例論述這個過程。

圖 3：STM32:強固的增長基礎(chǔ)

首先，我們回顧一下電機控制的基本原理。在電機控制系統(tǒng)內(nèi)，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在一個世紀前發(fā)明交流電機時不需要編譯器。只要需要調(diào)速，人們無法回避使用逆變器驅(qū)動一個性能不錯的3相電機，控制一個永磁同步電機(PMSM)運轉(zhuǎn)更離不開逆變器，這個復雜的功率電子系統(tǒng)的核心是一個直流轉(zhuǎn)交流的3相逆變器，其中微控制器起到管理作用，以全數(shù)字方式執(zhí)行普通的三位一體的控制功能：檢測（電流、轉(zhuǎn)速、角度…）、處理（算法、內(nèi)務管理…）、控制功率開關(guān)（最低的配置也至少有6個開關(guān)）。

采用標量控制是一個三相交流電機實現(xiàn)變速運轉(zhuǎn)的最簡單方式。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恒比。對于入門級電機驅(qū)動器，這是一個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扇）。不幸地是，并不是所有的應用都能忍受如此簡單的控制過程及其應用限制。特別是，標量控制在瞬變環(huán)境內(nèi)不能保證最佳的電機性能（轉(zhuǎn)矩、能效）。為克服這些限制，人們開發(fā)出了其它的電機控制方法，其中磁場定向控制（又稱矢量控制）是應用最廣泛的方法之一。這種控制方式利用兩個去耦直流控制器，不管運轉(zhuǎn)頻率如何（例如轉(zhuǎn)速），以驅(qū)動分開勵磁電機的方式驅(qū)動任何一種交流電機（感應電機或永磁電機）。勵磁電流與直流的主磁通量（在一個PMSM電機內(nèi)的磁體磁通量）有關(guān) ，而 90°移相電流可以控制轉(zhuǎn)矩，功能相當于直流電機的電樞電流。當負載變化時，磁場定向控制方式可實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制，而且響應速度快，使定子磁通量和轉(zhuǎn)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(nèi)，仍然能夠保證優(yōu)化的能效，這是實現(xiàn)以電機拓撲為標志的更復雜的控制方法所依據(jù)的基本理論框架，特別是對于PMSM電機，這個理論是無傳感器電機驅(qū)動器的基礎(chǔ)，既可以大幅降低成本（不再需要轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角傳感器和相關(guān)的連線），同時還能提高電機可靠性。在這種情況下，必須只使用電機數(shù)學模型、電流值和電壓值，通過計算方法估算轉(zhuǎn)子角度位置。在最低分鐘轉(zhuǎn)數(shù)只有幾百轉(zhuǎn)的情況下，這種狀態(tài)觀測器理論（在其它控制方法中）可以實現(xiàn)無傳感器的轉(zhuǎn)速控制，在某些情況下，最低分鐘轉(zhuǎn)數(shù)是靜止狀態(tài)。不過，這對CPU是一個額外的實時負荷。最后，微控制器必須以1KHz到20KHz的速率連續(xù)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(zhuǎn)換和實現(xiàn)多個PID控制器和軟件鎖相環(huán)確實需要高強度的數(shù)字計算，這就是過去為什么數(shù)字信號處理器、微處理器或FGPA器件被用作控制器的原因。

盡管專用雙?？刂破骱偷投硕cDSP架構(gòu)已經(jīng)問世，但是意法半導體仍然選擇使用Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)STM32微控制器。這個解決方案可很好地滿足大量的無刷電機驅(qū)動器的要求，從一次性工程費用的角度看，該解決方案的優(yōu)點是采用行業(yè)標準的ARM®內(nèi)核和標準微控制器的成本效益。