STM32如何實現(xiàn)電機控制

STM32馬達控制軟件介紹

及開發(fā)套件的使用2009年STM32全國研討會北京、深圳、上海、臺北、青島、重慶、南京、哈爾濱、武漢、福州、西安2演講內容STM32面向馬達控制的特性STM32馬達控制軟件庫的介紹FOC簡介軟件庫特點軟件庫結構軟件庫性能馬達控制套件的使用套件特點套件功能怎樣基于STM32馬達控制套件及軟件庫實現(xiàn)PMSM馬達的無傳感器模式控制使用戶能在很短時間內就能運轉自己的馬達3STM32面向馬達控制的特性功能強勁的內核－ARMCortex-M31.25DMIPS/MHz，哈弗結構，與ARM7相比性能提高30%單周期乘法、硬件除法及乘累加指令代碼密度Thumb-2指令集，與ARM7相比代碼密度提高30%NVIC：快速的中斷響應面向馬達控制的豐富的外設16位高級定時器6通道三相互補PWM的產(chǎn)生，帶硬件死區(qū)，每個通道的極性獨立設定時鐘為72MHz(13.9ns精度)緊急故障輸入端口，可異步地關斷PWM的輸出可觸發(fā)ADC的事件16位通用定時器霍爾、編碼器硬件接口ADC雙ADC或三ADC模塊12BIT精度，1MSps，每個通道的采樣時間可單獨編程可由外部或定時器事件觸發(fā)DMA通道分組：注入轉換組及常規(guī)轉換組SCAN模式多樣化的雙ADC模式4軟件庫——FOC簡介FOC(FieldOrientedControl)，采用數(shù)學方法實現(xiàn)三相馬達的力矩和勵磁的解耦控制定子電流被分解成：勵磁電流Id：產(chǎn)生勵磁交軸電流Iq：控制電磁力矩，類似于DC馬達的電樞電流FOC算法優(yōu)點：當負載變化時，速度響應快速而精確馬達的瞬時效率得到優(yōu)化能實現(xiàn)位置控制（通過瞬時力矩控制）5軟件庫——特點(1)針對無刷馬達控制的方案–

有傳感器/無傳感器方案的實現(xiàn)交流感應馬達(帶速度反饋)PMSM馬達(無傳感器方案的實現(xiàn))特點GUI用戶界面：產(chǎn)生軟件庫的頭文件用戶調試界面(通過LCD及JOYSTICK)：可實時地調試PID及觀測器參數(shù)DAC功能：可實時地跟蹤某些重要的變量以循序漸進的方式指導用戶如何使用軟件庫來開發(fā)自己的項目詳盡的用戶手冊免費的軟件源代碼6軟件庫——特點(2)特點(續(xù))優(yōu)化的PMSM馬達控制不同的轉子位置反饋方法的實現(xiàn)Sensor模式：HALL(120度/60度)/ENCODERSensorless模式：Luenberger觀測器及PLL算法馬達相電流采樣：三電阻法單電阻法：改善硬件成本電流傳感器法MTPA－I-PMSM馬達的優(yōu)化控制改進的弱磁控制算法：無須知道馬達的精確參數(shù)電流前饋：可實現(xiàn)對DCBUS紋波的補償7軟件庫——特點(3)：GUI界面通過直觀的界面配置軟件庫輸入馬達及控制參數(shù)，可直接生成軟件庫的頭文件8軟件庫——特點(4)：實時調試界面可實時地調節(jié)力矩環(huán)，勵磁環(huán)及速度環(huán)PID的參數(shù)可實時地調節(jié)觀測器的增益參數(shù)(無傳感器模式下)可實時地改變目標速度(速度控制模式下)或目標力矩及勵磁(力矩控制模式下)進入弱磁控制區(qū)的上限電壓值的選擇DCBUS電壓及功率板溫度監(jiān)控DAC輸出變量的選擇STM32MotorControlPMSMFOCver1.0SensorlessDemoSpeedcontrolmodeTarget Measured02500(rpm)00000←→Move↑↓Change9STM32MotorControlPMSMFOCver1.0SingalonPB0IqrefSingalonPB1Ia←→Move↑↓Change軟件庫——特點(5)：DAC功能通過TIM3的兩個PWM通道實現(xiàn)可通過LCD菜單實時地檢測兩個軟件變量軟件脫機運行，避免使用仿真器運行時引起的驅動電路燒壞可實時檢測馬達相電流，速度，轉子位置等可在頭文件中通過條件編譯行禁止10軟件庫——特點(6)：MTPAMTPA－I-PMSM(永磁體內嵌式馬達：Ld<Lq)的優(yōu)化控制控制‘力矩/電流比’最大化提高效率11軟件庫——特點(7)：循序漸進的開發(fā)通過頭文件STM32F10X_MCconf.h實現(xiàn)一步一步地指導

用戶進行項目的

開發(fā)通過條件編譯避

免包含不需要的

代碼/**************CurrentsensingbyICS(Isolatedcurrentsensors)************///#defineICS_SENSORS/**************CurrentsensingbyThreeShuntresistors*******************/#defineTHREE_SHUNT/**************PositionsensingbyIncrementalencoder*******************///#defineENCODER/***********************SpeedsensingbyHallsensors******************///#defineHALL_SENSORS/******************************Nospeedsensors*********************///#defineNO_SPEED_SENSORS//#defineVIEW_HALL_FEEDBACK//#defineVIEW_ENCODER_FEEDBACK/********************PI+DifferentialtermforId&Iqregulation**********///#defineId_Iq_DIFFERENTIAL_TERM_ENABLED

/*****************PI+Differentialtermforspeedregulation**************///#defineSPEED_DIFFERENTIAL_TERM_ENABLED/**********************PIDsParameterregulationsoftware**************///#defineFLUX_TORQUE_PIDs_TUNING//#defineOBSERVER_GAIN_TUNING#defineDAC_FUNCTIONALITY//#defineIPMSM_MTPA#defineFLUX_WEAKENING//#defineFEED_FORWARD_CURRENT_REGULATION12軟件庫——FOC軟件框圖vqd*vqd*θr

elva,b,c3phaseinverterIPMSMMotor~ACMains

~shuntsvqd->vabciabc<-iqd電流采樣無傳感器觀測器PID電流調節(jié)電流前饋&BUS電壓補償PI速度調節(jié)定子電壓

閉環(huán)弱磁ωrMTPAiqd*iabcTe*iqd**iqdvoltagelevel*ωr+θr

elBusvoltageVmeasurementωr速度環(huán)電流環(huán)13軟件庫性能——FOC算法執(zhí)行時間基于CortexTM-M3強勁的計算能力，sensorless模式下FOC控制環(huán)的執(zhí)行時間如下(與第三方編譯器有關)三電阻電流采樣方式：從20.2μs

到21.6μs單電阻電流采樣方式：從23.9μs

到26μsvdsvqs+-+-iqsidsiqs*ids*θr

elvα’β’siabcsθr

eliαβsPIDPIDREVERSEPARK&circlelimitationCALCSVPWM3-SHUNT

CURRENTREADINGSENSORLESSROTORPOSITIONFEEDBACKCLARKEPARKCPUload@10kHzsamplingtime≈30%CPUload@10kHzsamplingtime<25%1-SHUNT

CURRENTREADING14軟件庫性能——代碼長度由于Thumb2指令集具有較好的代碼密度，PMSMFOC軟件庫的總的代碼長度(sensorless

模式，三電阻電流采樣)為：23.3kB到24.7kB(與第三方的編譯器有關)排除LCD及Joystick管理代碼，純的馬達驅動的代碼長度為：

(矢量控制模塊的優(yōu)化選項為速度優(yōu)化)12.5Kb15馬達控制套件(1)——特點高壓驅動板+低壓控制板整合成一塊主板，價格遠低于第一代套件更高的功率容量(與第一代套件相比)直觀的硬件平臺，使用戶無需設計硬件即可進行馬達驅動性能的評估。給用戶設計硬件電路提供參考仿真器(不包含在套件中)隔離板主板16馬達控制套件(2)：功能兼容STM32FOC軟件庫軟件庫可以直接在該套件上運行通過跳線設置，可滿足軟件的各種編譯模式單電阻和三電阻電流取樣選擇功能編碼器/HALL輸入檢測功能，Sensorless模式滿足大功率應用要求，如變頻空調壓縮機及工業(yè)大功率電機驅動的開發(fā)調試20A/30AIGBT三相半橋驅動模塊主動PFC控制功能兼容部分PFC、全部PFC硬件拓撲結構，包括：AC輸入電壓波形檢出（正弦波）電感電流波形檢出（正弦波）DCBUS電壓檢出PFC硬件保護電路：IGBT過流硬件自關斷，IGBT過流保護信號輸出可提升DCBUS電壓，抑制輸入電流諧波17馬達控制套件的使用(3)：功能一塊控制板集成了EVB及功率驅動的所有功能，摒棄了原開發(fā)套件(EVB+PowerStage)的模式，且驅動功率更高JTAG仿真隔離板能耗剎車控制電路LCD及Joystick用戶界面：可結合FOC軟件庫調試馬達RS232通信接口(光耦隔離)CAN通信接口上電延時功能：抑制上電浪涌電流可驅動低壓馬達(12V/24V)及高壓馬達(交流220V)18基于馬達控制套件實現(xiàn)PMSM馬達的控制(1)使用GUI產(chǎn)生軟件庫參數(shù)頭文件使馬達運行在純傳感器模式HALL或ENCODER選擇馬達電流采樣方式馬達電流采樣電路參數(shù)設置Shunt：0.015歐放大倍數(shù)：3.9輸入馬達參數(shù)使能電流環(huán)調節(jié)使用GUI產(chǎn)生參數(shù)頭文件，替代軟件庫中的原文件，編譯軟件庫，通過JTAG仿真器把程序燒入MCU在套件上運行，此時馬達短時間地正反轉，運行在速度開環(huán)模式下，用DAC功能監(jiān)測階躍響應，實時調節(jié)電流PID參數(shù)；把電流PID參數(shù)結果寫入軟件，禁止電流環(huán)調節(jié)，使馬達運行在速度閉環(huán)模式下，調節(jié)速度PID參數(shù)19基于馬達控制套件實現(xiàn)PMSM馬達的控制(2)使馬達運行在純傳感器模式，且使能觀測器：選擇OBSERVER_GAIN_TUNING：電流和速度環(huán)仍使用由傳感器反饋的轉子位置角信號，但此時觀測器同時運行；使用DAC功能實時地調節(jié)觀測器及PLL增益參數(shù)（K1，K2，F(xiàn)1，F(xiàn)2，PLL_KP_GAIN，PLL_KI_GAIN）：觀測器增益參數(shù)對反電動勢觀測起作用，而PLL增益參數(shù)(一般其缺省值就滿足要求了)對位置角重構起作用；一旦這6個參數(shù)確定，把它們寫入頭文件MC_State_Observer_param.h20基于馬達控制套件實現(xiàn)PMSM馬達的控制(3)使馬達運行在無傳感器模式，但仍使能傳感器反饋處理：選擇NO_SPEED_SENSORS及VIEW_HALL_FEEDBACK或VIEW_ENCODER_FEEDBACK之一，電流和速度環(huán)使用由觀測器反饋的轉子位置角信號。傳感器反饋的信號仍處理，使其可與觀測器反饋的位置角信號進行比較；填寫MC_State_Obse