基于STM32的永磁同步電機伺服控制器設計

基于STM32F407芯片的交流伺服控制器，采用基于永磁電機動態(tài)解耦數(shù)學模型的矢量控制一場定向控制算法(FOC)。在進行交流伺服控制器的軟件設計時，可使用ST公司的圖形化芯片外設配置軟件Microxplorer進行STM32F407芯片的選型及外設配置、初始化代碼的生成;在PMSM電機的FOC算法設計階段可參考ST公司的PMSMFOC Library和Standard Peripherals Labrary-CMSlS進行開發(fā)，并且ST公司提供了DSP算法庫以供開發(fā)者使用;在系統(tǒng)的調(diào)試階段由于電機控制的特殊性，不能在電機運行時設置斷點進行調(diào)試，為此可采用ST公司的STMStudio軟件進行實時變量監(jiān)控及可視化調(diào)試。

1.3.1 交流伺服控制器軟件應具有的功能

交流伺服控制器軟件應實現(xiàn)以下功能：

◆系統(tǒng)位置控制、速度控制和電流控制;

◆與上位機通信功能;

◆過流、過壓、欠壓的保護及故障指示。

伺服控制器性能的好壞，電機的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制是設計重點?，F(xiàn)將這幾部分分述如下：

1.3.1.1 伺服系統(tǒng)位置環(huán)的實現(xiàn)

STM32F407芯片根據(jù)上位機/PLC發(fā)出的位置指令，控制PMSM快速平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動到指定的角度。

位置的控制算法采用三段法，即：位置誤差大時，采用最大速度跟蹤，以快速消除誤差;位置誤差為中等偏差時，速度控制量為

(其中：ε為加速度，e為當前位置誤差);在位置誤差較小時采用PI控制算法。其軟件工作流程如圖3。

1.3.1.2 伺服控制器速度環(huán)的實現(xiàn)

由STM32F407芯片內(nèi)部的正交編碼器接口的脈沖計數(shù)寄存器確定輸入的正交脈沖數(shù)，并且轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一周，增量編碼器輸入一個零位標志脈沖信號，以消除因脈沖丟失引起的計數(shù)誤差。為使脈沖計數(shù)寄存器的計數(shù)不會溢出，因此轉(zhuǎn)子位置角最大采樣周期必須根據(jù)電機的最高工作頻率和控制精度確定，電機工作頻率和控制精度越高，則采樣周期越小。控制算法則采用PI算法。

速度環(huán)的工作流程如圖4。

1.3.1.3 伺服控制器電流環(huán)的實現(xiàn)

伺服控制器要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應速度快的特點，所以電流調(diào)節(jié)器必須滿足內(nèi)環(huán)控制所需要的控制響應速度，能精確控制隨轉(zhuǎn)速變化的交流電流大小及頻率。但若電流環(huán)的響應速度過大，會使電流環(huán)調(diào)整時的音頻噪聲較大，同時在電流很小時會引起電流環(huán)的震蕩，建議電流環(huán)響應頻率的上限值是開關頻率的10%～20%為好。

對電流環(huán)的控制算法則采用積分分離的PI控制算法。其基本思路：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大;當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。其流程框圖如圖5。

2 總結(jié)

這個方案用到了STM32F407芯片的眾多強大特性，如：DSP指令、浮點運算單元、大容量的RAM和Flash、168 MHz的高主頻、Ethernet和加密協(xié)處理器。通過ST公司的眾多軟、硬件設計參考和貫穿開發(fā)各個階段的免費軟件支持，使得廣大的電機控制開發(fā)工程師可以在最短的時間開發(fā)出性能強大的伺服控制產(chǎn)品。