基于STM32交流永磁同步電機(jī)對控制單元和功率驅(qū)動單元的設(shè)計(jì)

引言

近年來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材料技術(shù)的迅速發(fā)展以及電機(jī)制造工藝水平的逐步提高，交流永磁同步電機(jī)以其體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)在工農(nóng)業(yè)、日常生活以及許多高科技中迅速得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究設(shè)計(jì)高精度、高性能的永磁同步電機(jī)成為現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。

伺服驅(qū)動器按照功能特征可分為功率板和控制板兩個獨(dú)立的模塊，本文在分析交流永磁同步電機(jī)控制性能的基礎(chǔ)上分別對控制單元和功率驅(qū)動單元進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)?？刂茊卧鳛樗欧到y(tǒng)的核心，要求有較高的性能，為此，論文采用意法半導(dǎo)體推出的STM32作為控制核心芯片。它是基于ARM先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達(dá)72 MHz。強(qiáng)大的內(nèi)核及其豐富的外設(shè)使其在馬達(dá)控制應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的使用。功率驅(qū)動單元應(yīng)用了IPM(智能功率模塊)，與以往的IGBT相比較，IPM FSAM20SH60A內(nèi)部集成欠電壓、過電流和溫度檢測等保護(hù)電路，簡化了伺服系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的模塊化和微型化。

1 PMSM伺服系統(tǒng)的基本構(gòu)架

PMSM控制系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖1所示，它包括主電路、伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、保護(hù)單元以及信號反饋采集單元。

伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。STM32 Cortex-M3以其價格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)成為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制核心的一種趨勢。功率驅(qū)動單元采用以智能功率模塊IPM為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動芯片，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能及時進(jìn)行自我保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號經(jīng)過反饋傳輸?shù)絊TM32內(nèi)部，進(jìn)行精確、快速的處理后輸出，以實(shí)現(xiàn)各個部件的實(shí)時性控制。在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動模塊作為伺服系統(tǒng)的強(qiáng)電部分包括兩個單元：一是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源，二是功率驅(qū)動單元IPM用于電機(jī)的驅(qū)動。功率版的設(shè)計(jì)中包括6個硬件保護(hù)功能，分別是單相過流(正反向電流)保護(hù)、母線過流(正反向電流)保護(hù)、剎車過流(正反向電流)保護(hù)、母線過壓保護(hù)、母線欠壓保護(hù)、溫度過高保護(hù)。每路保護(hù)都有LED報警顯示，同時為了增強(qiáng)可靠性，保護(hù)發(fā)生后都會分別給MCU和柵極驅(qū)動器發(fā)送關(guān)斷信號，保護(hù)功率器件IPM，防止元件的損壞，而且該信號必須要求單獨(dú)的復(fù)位信號才能取消，否則保護(hù)電路會一直起作用，防止誤操作損壞設(shè)備和影響人身安全。

2．1 TOP—Switch開關(guān)電源

由TOP—Switch系列芯片構(gòu)成的應(yīng)用電路具有最低的成本和元器件數(shù)目，AC／DC轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90％，芯片內(nèi)部還集成了自動復(fù)位啟動和限流功能電路。為了實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全保護(hù)，芯片內(nèi)部還具有一個觸發(fā)式熱關(guān)斷電路，可構(gòu)成反激式、正激式、升壓式和降壓式結(jié)構(gòu)的電源電路。本文采用TOP-222芯片設(shè)計(jì)了一款反激式開關(guān)電源，輸出4路獨(dú)立+15 V電源為逆變器的上下橋臂提供控制電源，保證逆變器的穩(wěn)定工作，通過穩(wěn)壓管可轉(zhuǎn)換成電路中其他器件提供所需的工作電壓。

2．2 IPM工作原理

功率驅(qū)動芯片采用FSAM20SH60，輸出100～253 V交流電壓，最大驅(qū)動功率1．5 kW，開關(guān)頻率可達(dá)15 kHz。內(nèi)部集成了電壓、電流保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可及時切斷輸出電流，保護(hù)電機(jī)不被燒毀。如圖2所示，STM32內(nèi)部通過相應(yīng)的算法輸出6路PWM信號，經(jīng)光耦HCPL-4050隔離放大后作為IPM的輸入信號，來控制逆變橋的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。其中，逆變器的每個上橋壁分別采用獨(dú)立的控制電源以提高系統(tǒng)的可靠性，這個獨(dú)立的電源由開關(guān)電源來提供。

2．3 溫度檢測電路

IPM芯片內(nèi)部集成了溫度保護(hù)功能，圖3為IPM驅(qū)動芯片的溫度檢測電路。芯片內(nèi)部含有熱敏電阻，當(dāng)溫度過高時就會通過檢測電路的電壓比較器輸出故障信號反饋給IPM芯片的7引腳，在芯片內(nèi)部經(jīng)分析處理后采取及時的措施對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，如將IGBT軟遮斷，當(dāng)溫度正常時再解除保護(hù)。

2．4 電流檢測電路

對于數(shù)字化伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩環(huán)的性能直接影響著系統(tǒng)的控制性能。電流采樣的精度和實(shí)時性很大程度上決定了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，精確的電流檢測是提高系統(tǒng)控制精確、穩(wěn)定性和快速性的重要環(huán)節(jié)。在伺服控制系統(tǒng)中電流檢測的方法有多種，常見的一種是采用霍爾電流傳感器，將電流信號經(jīng)過電磁轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷麟妷盒盘栞敵觯缓蠼?jīng)運(yùn)算比較電路處理后輸出到控制芯片。另一種方式是采用電流檢測，論文即采取這種檢測方式。圖4為電流檢測電路，取采樣電阻兩端的電壓經(jīng)線性光耦HCPL-7840隔離、放大后輸入到電壓比較運(yùn)算放大器，再將比較后的值輸入到控制芯片STM32中進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，從而得出當(dāng)前的電流值。由于PMSM為三相對稱電機(jī)，即Ia+Ib+Ic=0，因此，研究檢測其中兩相就能得到三相電流。

3 STM32驅(qū)動PMSM原理及實(shí)現(xiàn)

控制模塊作為電機(jī)驅(qū)動的弱電部分，是電機(jī)的控制核心，也是伺服驅(qū)動技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂菩酒阅艿膬?yōu)劣直接影響整個伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能。意法半導(dǎo)體的STM32是采用基于ARM工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嵌入式處理器Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達(dá)72MHz，內(nèi)置Flash和SRAM(容量可分別高達(dá)512 KB和64 KB)。強(qiáng)大的內(nèi)核及其豐富的外設(shè)，使其在無刷馬達(dá)控制應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的使用。馬達(dá)控制配套軟件庫V2.0包含電機(jī)矢量控制函數(shù)庫，新增支持單旁路無傳感器控制、內(nèi)部永磁(IPM)電機(jī)控制和永磁同步(PMSM)電機(jī)弱磁控制的算法，極大地簡化了電機(jī)的控制，縮短了研發(fā)周期?；诖?，論文選取STM32作為控制核心芯片，針對PMSM的控制提出了FOC+SVPWM控制算法。FOC(矢量控制)的應(yīng)用使得交流PMSM具有直流電機(jī)一樣的特性，解決了交流電機(jī)強(qiáng)耦合、非線性的問題，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)對PMSM電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制。

3．1 FOC+SVPWM的控制原理

矢量控制的實(shí)質(zhì)是坐標(biāo)變換，即將PMSM三相定子電流Ia、Ib經(jīng)過Clarke 3／2變換成兩相靜止坐標(biāo)系中的Iα、Iβ，再經(jīng)過Park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的Id、Iq。通常在控制時令I(lǐng)d=0，實(shí)現(xiàn)定子繞組與d軸的完全解耦，從而可以很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩，這與永磁直流電機(jī)的控制原理類似。電壓空間矢量控制SVPWM是根據(jù)逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和導(dǎo)通順序?qū)A形空間旋轉(zhuǎn)磁場分成6個扇區(qū)，根據(jù)定子上反饋的電流值大小和給定值的比較來確定當(dāng)前所處的扇區(qū)，通過相應(yīng)的控制算法輸出6路PWM信號控制逆變器橋開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速控制。圖5為PMSM矢量控制的原理圖。

3．2 STM32實(shí)現(xiàn)電流、轉(zhuǎn)速環(huán)的控制算法

在函數(shù)FOC_Model(MC_FOC_DRIVE．c)中，當(dāng)電流轉(zhuǎn)換開始即執(zhí)行如下的算法流程。首先讀取三相定子電流Ia、Ib，然后進(jìn)行Clarke函數(shù)變換得到兩項(xiàng)靜止坐標(biāo)系中的電流Iα、Iβ，再經(jīng)過Park函數(shù)得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的Id、Iq。給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后，輸出信號作為電流環(huán)的輸入給定信號Iqref。Id的給定值Idref=0，轉(zhuǎn)矩電流Iq和勵磁電流Id分別經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和限幅控制后經(jīng)過Park反變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Vd、Vq，由Vd、Vq的值判斷空間矢量的扇區(qū)號S，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制。

3．3 高精度PWM產(chǎn)生

STM32可提供13．8 ns的定時精度，其內(nèi)部高級定時器是由一個自動重裝載的16位計(jì)數(shù)器組成，可輸出高精度的PWM波形(輸出比較PWM、嵌入“死區(qū)”的互補(bǔ)PWM)。PWM的輸出模式有邊沿和中心對稱兩種模式，由于中心對稱模式下PWM波形沒有精度損失，因此，論文選取中心對稱模式下的7路帶死區(qū)互補(bǔ)輸出的PWM作為驅(qū)動芯片的控制信號。

電機(jī)控制PWM信號是由TIMx_ARR寄存器確定頻率，由TIMx_CCRx寄存器確定占空比，示波器上讀出的6路PWM信號及控制逆變器工作輸出的電流波形圖如圖6所示。

STM32控制電機(jī)的主程序中應(yīng)包含如下兩個函數(shù)：STM32F10x-MCconf．h，定義用于選定的電流反饋類型；MC_Control_Param．h，定義PWM頻率，死區(qū)時間(ns)及寄存器更新率REP_RATE。

結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于STM32的交流PMSM控制，結(jié)合先進(jìn)的IPM功率逆變器，簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，充分利用以Cotex-M3為內(nèi)核的STM32的優(yōu)勢，其豐富的固件庫函數(shù)縮短了開發(fā)周期。圓網(wǎng)印花機(jī)的實(shí)踐應(yīng)用表明，基于STM32的交流PMSM具有良好的動態(tài)性能，符合工業(yè)控制的需求。