基于Cortex-M3 內(nèi)核的STM32系列微控制器設(shè)計和實現(xiàn)

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現(xiàn)對交流異步電機的軟起動、變頻調(diào)速、提高運轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護等功能。變頻器集成了高壓大功率晶體管技術(shù)和電子控制技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。變頻器的作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達(dá)到平滑控制電動機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡單化，用變頻器+交流鼠籠式感應(yīng)電動機組合替代了大部分原先只能用直流電機完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動技術(shù)發(fā)展到新階段。本文將探討基于ARM的標(biāo)準(zhǔn)微控制器如何在一個被DSP和FPGA長期壟斷的市場上打破復(fù)雜的控制模式，我們將以意法半導(dǎo)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。

很多應(yīng)用都會用到功率低于300 W的小型電機，例如汽車、打印機、復(fù)印機、紙張?zhí)幚頇C、工廠自動化、太空和軍事載具、測試設(shè)備和機械人。整體而言，電機的產(chǎn)量約和其功率大小成反比，這表示小型電機的產(chǎn)量遠(yuǎn)超過大型電機。應(yīng)用最廣泛的小型電機包括直流電機、無刷直流電機和步進電機。

步進電機、直流電機和無刷直流電機的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動方式。步進電機是以步階方式分段移動，直流電機和無刷直流電機通常則采用連續(xù)移動的模擬控制方式。由于步進電機采用步階移動，所以特別適合盡對尋址應(yīng)用，目前市場上常見的步進電機已能提供每一步1.8°或0.9°的精確移動能力。步進電機采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置 （step position）；相形之下，直流電機則是以電機電壓做為控制變量，以位置或速度做為命令變量。直流電機需要反饋控制系統(tǒng)，它會以間接方式控制電機位置，步進電機系統(tǒng)多半則是以「開環(huán)」方式進行操縱。

直流電機是最常見和本錢最低的小型電機，并且廣泛用于各種應(yīng)用。無刷直流電機宣稱能提供更高可靠性以及更低噪聲和本錢，然而到目前為止，它卻只能在磁盤或計算機風(fēng)扇等少數(shù)目產(chǎn)應(yīng)用中取代傳統(tǒng)直流電機。在某些應(yīng)用里，無刷直流電機有多項優(yōu)點勝過傳統(tǒng)電刷電機，例如它以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長電機壽命和減少維護本錢，而且也沒有電刷產(chǎn)生的噪音。直流電機的特性使它成為調(diào)速系統(tǒng)最輕易使用的電機。（

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(fù)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?fù)錇闃?biāo)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?fàn)顟B(tài)。

不過，這對CPU是一個額外的實時負(fù)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(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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的ARM?內(nèi)核和標(biāo)準(zhǔn)微控制器的成本效益。

基于Harvard架構(gòu)，這個32位RISC采用Thumb2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10 kHz采樣率下25% 的CPU負(fù)荷。

意法半導(dǎo)體擴大32位STM32微控制器（MCU）支持的電機矢量控制函數(shù)庫，新增了支持單旁路無傳感器控制、內(nèi)部永磁（IPM）電機控制和永磁同步（PMSM）電機弱磁控制的算法。目前市場上大約已有40種電機控制應(yīng)用采用了意法半導(dǎo)體的基于Cortex-M3的STM32微控制器。 在設(shè)計人員目前可以獲得的新算法中，單旁路電流感應(yīng)支持功能只需要一個電流感應(yīng)電阻器，比需要三個電阻器的普通無傳感器控制機制更加節(jié)省系統(tǒng)成本。單旁路電流感應(yīng)是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一項專利技術(shù)，具有直流總線電壓利用率高、電流失真小和可聽噪聲低等優(yōu)點。通過增加一個"最大化轉(zhuǎn)矩電流比"（MTPA）控制算法，擴大的函數(shù)庫給設(shè)計人員提供了更大的自由設(shè)計空間，使他們能夠靈活地定義無刷IPM電機的電氣參數(shù)，滿足實際應(yīng)用對電機的高功率密度和高速性能的需求?；谶@些新的算法，開發(fā)人員可以充分利用STM32豐富的電機控制外設(shè)，包括STM32集成的兩個三相PWM定時器，使一個微控制器可以同時控制兩個無刷電機。通過打破一個微控制器控制一個電機的規(guī)則，設(shè)計人員使用STM32可以節(jié)省成本，降低設(shè)計尺寸和功耗，而且不會對性能有任何影響。微控制器集成的三個模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠支持高精度電機驅(qū)動器用的三路采樣保持電流捕獲。因為STM32采用先進的ARMCortex-M3CPU工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，用戶在STM32上開發(fā)電機控制解決方案要比使用企業(yè)專有架構(gòu)更節(jié)省時間。

即使最復(fù)雜的算法幾乎也無法修正不精確的模擬測量值，但是，在某種程度上，電機驅(qū)動系統(tǒng)的總體性能取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量。STM32F103芯片內(nèi)置三個采樣率為1MSps的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在整個溫度和電壓范圍內(nèi)，總不可調(diào)整誤差 （TUE）低于5 LSB.模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口有三個主要功能：首先，使CPU擺脫簡單控制任務(wù)和數(shù)據(jù)處理；其次連接芯片的其余部件（中斷請求、DMA請求、觸發(fā)輸入）；最后，使STM32的多路轉(zhuǎn)換器同步操作。

在這些對無刷電機控制有用的功能中，我們首先考慮通道讀序列發(fā)生器。對比傳統(tǒng)的掃描電路（按照模擬輸入序號，按序轉(zhuǎn)換一定數(shù)量的通道）， 在一個16個轉(zhuǎn)換通道組成的順列（例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11）內(nèi)，序列發(fā)生器可按任何順序轉(zhuǎn)換通道，當(dāng)設(shè)計人員在設(shè)計印刷電路板時，這個功能給設(shè)計人員帶來更高的設(shè)計靈活性，為實現(xiàn)平均轉(zhuǎn)換目的，準(zhǔn)許對同一通道進行多次采樣（在一個序列內(nèi)），當(dāng)整個序列轉(zhuǎn)換完畢后，DMA通道將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到RAM,中斷處理程序產(chǎn)生一個中斷請求。

在檢測電機相位電流的過程中，瞬變電壓在功率開關(guān)上產(chǎn)生的噪聲（在離線開關(guān)應(yīng)用中，典型噪聲達(dá)到幾百個V/μs）是引起讀取誤差的一個重要原因，可能導(dǎo)致測量結(jié)果的信噪比非常低。解決方案是使模數(shù)轉(zhuǎn)換器與控制功率級的定時器同步：因為換向時刻可以預(yù)定（由3 PWM定時器的比較寄存器定義），所以可以使用一個額外比較通道在換向時刻稍前或稍后觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作?；谶@個原因，STM32啟用了第二個序列發(fā)生器（又稱注入序列發(fā)生器），該序列發(fā)生器的優(yōu)先級高于正常序列發(fā)生器，可以用一個不能延遲的新轉(zhuǎn)換操作使當(dāng)前的轉(zhuǎn)換操作中斷。通常情況下，正常序列發(fā)生器負(fù)責(zé)"內(nèi)部管理"轉(zhuǎn)換，連續(xù)檢測溫度或直流總線電壓（作為后臺任務(wù)），然后通過DMA通道發(fā)送到RAM,而注入序列發(fā)生器則將處理時間關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換操作，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器（將會產(chǎn)生一個中斷，但是不能接受延時）。

對于一個能夠執(zhí)行先進的電機控制功能的通用微控制器，擁有微控制器是一回事，而開發(fā)輕松入門卻是另一回事。利用軟硬件工具可以把這個問題的兩個方面都處理好。首先是擁有一套電機控制開發(fā)入門工具，包含測試工具（JTAG探針和光隔離器）、 微控制器芯片以及功率級電路板和演示用PMSM電機，這套工具用于產(chǎn)品性能評估和開發(fā)用途。模塊化設(shè)計有助于升級演示應(yīng)用（例如雙電機控制微控制器電路板），評估多個（或定制）功率級。最后，意法半導(dǎo)體為STM32客戶免費提供電機控制軟件庫。2.0版電機控制軟件庫利用頭文件內(nèi)的一個簡單且低廉的 #define聲明列表支持各種配置。

軟件庫包含交流感應(yīng)電機和同步電機的磁場定向控制算法，為簡化代碼的可讀性和可維護性，這些算法采用C編程語言，再次證明了現(xiàn)代編譯器的效率。該軟件庫還針對PMSM電機提供一個穩(wěn)健的無傳感器控制算法（基于磁通觀測器），以及一個超高速內(nèi)部永磁電機 （IPM）專用控制算法。當(dāng)然，該軟件還支持普通轉(zhuǎn)速和位置傳感器（增量編碼器、霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器）。通過使用隔離傳感器或分流器，STM32支持三種電流檢測方法。STM32外設(shè)可以實現(xiàn)一個創(chuàng)新的單電流檢測方法，利用成本最低的配置（一個簡單的獨特的電阻器）執(zhí)行矢量控制。因為能夠最大限度降低本征電流失真率，這項技術(shù)已取得專利權(quán)。

意法半導(dǎo)體目前的主要開發(fā)項目是控制電機直到靜止?fàn)顟B(tài)的無傳感器永磁電機控制和內(nèi)置功率因數(shù)校正功能的雙電機控制。最近，意法半導(dǎo)體成功演示了單電流檢測方法，僅一個STM32微控制器就能執(zhí)行兩個單電流檢測矢量控制功能，同時還用一個40 kHz的控制回路管理PFC級。

從功率開關(guān)分立器件，到復(fù)雜的系統(tǒng)芯片，意法半導(dǎo)體承諾以其獨有的產(chǎn)品組合長期支持電機控制市場。STM32微控制器產(chǎn)品線將繼續(xù)沿四個新方向部署，其中兩個方向適用于電機控制。第一個產(chǎn)品線將面向低成本市場，開發(fā)低端的16位電機控制微控制器。另一個產(chǎn)品線以高性能為訴求，面向需要更高處理性能、更大存儲容量和高帶寬接口的應(yīng)用。如此寬廣的產(chǎn)品組合結(jié)合Cortex-M3內(nèi)核，勢必確立STM32架構(gòu)適用于現(xiàn)在和未來電機驅(qū)動的多功能性。
責(zé)任編輯：彭菁