基于Cortex-M3的STM32微控制器處理先進電機控制方法

　　首先，我們回顧一下電機控制的基本原理。在電機控制系統(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(fù)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(wù)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(yīng)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(yīng)用都能忍受如此簡單的控制過程及其應(yīng)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)出了其他的電機控制方法，其中磁場定向控制(又稱矢量控制)是應(yīng)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(yīng)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(dāng)于直流電機的電樞電流。當(dāng)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(yīng)速度快，使定子磁通量和轉(zhuǎn)子磁通量保持完美的90°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(fù)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(xué)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(在其他控制方法中)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1k~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(yīng)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DSP、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(dǎo)體仍然選擇使用Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)STM32微控制器。該方案可很好地滿足大量無刷電機驅(qū)動器的要求，從一次性工程費用的角度看，其優(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。

　　基于Harvard架構(gòu)，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，這個指令集能夠大幅提高代碼密度，同時保留原有ARM7指令集的多數(shù)優(yōu)點(附加優(yōu)化的乘加運算和硬件除法指令)。

　　電機控制系統(tǒng)要求微控制器須具備卓越的實時響應(yīng)性(中斷延時短)、純處理功能(如單周期乘法)以及優(yōu)異的控制性能(當(dāng)處理非序列執(zhí)行流和條件轉(zhuǎn)移指令時)。Cortex-M3能夠滿足所有這些要求。例如，當(dāng)時鐘頻率是72MHz時，在25μs內(nèi)對一個永磁電機完成一次無傳感器磁場定向控制，這相當(dāng)于在10kHz采樣率下25% 的CPU負荷。

　　在STM32微控制器內(nèi)，該內(nèi)核與意法半導(dǎo)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(shè)即可處理外部事件(圖2所示是STM32F103微控制器的結(jié)構(gòu)框圖)。不用說，PWM定時器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器是最重要元器件。PWM定時器包括最先進的功能，如中央對齊模式PWM信號生成和死區(qū)時間插入邏輯，特別強調(diào)安全性：該模塊直接控制功率開關(guān)換向，可控開關(guān)功率達到數(shù)千瓦。例如，用于配置某些重要參數(shù)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引腳都被置于用戶可配置的安全狀態(tài)。這個功能設(shè)計采用組合邏輯模塊，當(dāng)主時鐘(晶體)失效時，內(nèi)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第4比較通道，專門用于觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)最佳的電流測量精度。