意法半導(dǎo)體支持自動(dòng)化和工業(yè)領(lǐng)域的各種電機(jī)控制

前言

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是自動(dòng)化工業(yè)市場(chǎng)的一個(gè)主要特點(diǎn)，在電機(jī)控制領(lǐng)域的深耕多年的意法半導(dǎo)體 （ST）擁有各種電機(jī)專用軟硬件解決方案，為滿足各種應(yīng)用需求，ST MC（電機(jī)控制）生態(tài)系統(tǒng)含有整體解決方案，例如，評(píng)估板、固件 （FW）庫(kù)和相關(guān)資料。

現(xiàn)在ST MC生態(tài)系統(tǒng)新增一個(gè)叫做STM32 PMSM FOC SDK v4.0的永磁同步電機(jī)（PMSM）控制固件庫(kù)。這些工具是意法半導(dǎo)體在數(shù)控和功率系統(tǒng)解決方案領(lǐng)域多年積累的深厚知識(shí)和系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，有助于縮短客戶產(chǎn)品研發(fā)周期，加快對(duì)意法半導(dǎo)體產(chǎn)品的評(píng)估。事實(shí)上，意法半導(dǎo)體支持自動(dòng)化和工業(yè)領(lǐng)域的各種電機(jī)控制，這歸功于創(chuàng)新的產(chǎn)品組合，包括 功率晶體管、智能功率模塊 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片和最新的微控制器。

PMSM FOC SDK功能和專用算法提升了意法半導(dǎo)體工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品評(píng)估的實(shí)用價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，硬件和固件解決方案必須協(xié)同工作。此外，為取得最高的電機(jī)控制性能，大家非常熟悉的三相無(wú)刷電機(jī)矢量控制技術(shù)（FOC）新增多種不同的專用算法。

圖1：自動(dòng)化和工業(yè)電機(jī)控制

意法半導(dǎo)體早在多年前就開始矢量控制技術(shù)的研發(fā)，2009年發(fā)布了首款支持STM32微控制器及STM32電機(jī)控制開發(fā)板的3相電機(jī)控制固件庫(kù)。此后，該解決方案被不斷完善，新增多項(xiàng)功能：

? 無(wú)傳感器式永磁電機(jī)控制（兩個(gè)互補(bǔ)算法、反電動(dòng)勢(shì)狀態(tài)估計(jì)器和高頻注入）

? 固件庫(kù)完全可配置，支持STM32F全系產(chǎn)品（F0、F1、F2、F3、F4），支持意法半導(dǎo)體的功率級(jí)產(chǎn)品（如SLLIMM智能功率模塊）或分立解決方案（功率MOSFET、IGBT、柵驅(qū)動(dòng)器）

? 通過PC機(jī)軟件（ST MC Workbench）配置固件庫(kù)，幫助用戶設(shè)置系統(tǒng)，在PC機(jī)與固件之間實(shí)時(shí)通信

? 通過一個(gè)微控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)的“雙驅(qū)”電機(jī)控制

? 其它功能，例如：磁通量弱化、內(nèi)磁式電機(jī)MTPA （最大轉(zhuǎn)矩電流比）和正饋電流調(diào)節(jié)

固件與硬件工具（控制級(jí)+功率級(jí)或整體解決方案）配合使用，有助于用戶快速開始產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)

圖2： 永磁同步電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)

STM32 FOC SDK V4.0 新功能

STM32 FOC SDK V4.0是該固件庫(kù)的2014年最新版，其架構(gòu)改進(jìn)之處主要是固件的易用性，強(qiáng)化易用性有助于用戶加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短研發(fā)周期，這兩個(gè)因素是電子企業(yè)取得成功的關(guān)鍵。為提高軟件開發(fā)工具的易用性，從源代碼到PC機(jī)圖形用戶界面軟件，意法半導(dǎo)體電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)新增很多功能，并配有一套開發(fā)資料，其中包括技術(shù)文檔、常見問題解答、演示文稿、軟件示例、用例、教程和視頻。 所有資料都放在標(biāo)準(zhǔn)軟件和固件包內(nèi)，用戶可以從意法半導(dǎo)體官網(wǎng)下載軟件包，若需要完整的C語(yǔ)言源代碼，用戶須向所在地意法半導(dǎo)體代表處申請(qǐng)。

STM32 FOC SDK V4.0生態(tài)系統(tǒng)包括快速高效設(shè)計(jì)所需的兩大工具：固件庫(kù)和PC圖形用戶界面軟件。

從高性價(jià)比的48Mhz Cortex-M0 STM32F030x，到集成各種模擬IP模塊的STM32F30x，再到最先進(jìn)的支持浮點(diǎn)指令的180Mhz Cortex-M4 STM32F4，久負(fù)盛譽(yù)的STM32矢量控制固件庫(kù)支持STM32 F全系產(chǎn)品。從醫(yī)療用小型電機(jī)，到工廠自動(dòng)化或電力牽引用大型伺服電機(jī)，STM32覆蓋各種電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域。不同于其它品牌的電機(jī)控制解決方案，STM32 FOC固件庫(kù)采用了面向?qū)ο蟮姆椒?，這也是意法半導(dǎo)體固件庫(kù)支持不同系列微控制器的原因。

除保留上一版軟件抽象層結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)點(diǎn)外，V4.0版還簡(jiǎn)化了Workspaces，減少了每次配置的項(xiàng)目數(shù)量。此外，固件庫(kù)支持的IDE開發(fā)環(huán)境過去只有IAR Embedded Workbench，現(xiàn)在還支持KEIL Microvision集成開發(fā)環(huán)境。

電機(jī)控制應(yīng)用編程界面（API）是上一版的旗艦技術(shù)，新版中的API增加了新的功能。此外，新版軟件包還增加一套軟件示例。用戶可以利用電機(jī)控制API導(dǎo)出的函數(shù)實(shí)現(xiàn)典型用例，將其用于最終應(yīng)用設(shè)計(jì)中，例如：

? 根據(jù)模擬輸入電壓設(shè)置轉(zhuǎn)速參考值；

? 輸出PWM信號(hào)與轉(zhuǎn)速測(cè)量值保持比例關(guān)系；

? 實(shí)時(shí)修改控制器帶寬等參數(shù)；

? 實(shí)時(shí)修改控制環(huán)路的轉(zhuǎn)速傳感器和位置傳感器參數(shù)

實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能所需的全部代碼都在軟件示例內(nèi)，可以用作創(chuàng)建更復(fù)雜項(xiàng)目的基礎(chǔ)，也可以視為理解API本身背后邏輯的參考指南。電機(jī)控制庫(kù)兼作一個(gè)黑匣子，說明如何向電機(jī)發(fā)布命令，例如，啟動(dòng)、停止或減速，還可用于接收電機(jī)反饋信號(hào)，例如，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率的測(cè)量值。固件庫(kù)還能讓客戶專注應(yīng)用頂層研發(fā)，利用特定的戰(zhàn)略知識(shí)設(shè)計(jì)差異化解決方案。

圖 3： MC SDK 4.0用戶界面

在4.0版中，固件用戶界面有兩個(gè)通信通道。如果控制板裝有LCD液晶屏，則可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)輕量（小代碼量）的LCD圖形用戶界面，簡(jiǎn)版LCD能夠讓用戶更靈活地定制圖形用戶界面，增加更多的用戶固件互動(dòng)功能。如果控制板沒有LCD屏幕，則可以通過USART在固件和PC機(jī)之間建立實(shí)時(shí)通信通道。V4.0還可以建立快速的單向通信通道，讓固件能夠以最大速率向PC機(jī)連續(xù)不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)，不包含用于監(jiān)視快速變化的變量的控制字節(jié)。

Workbench的其它新功能：

? 無(wú)傳感器啟動(dòng)設(shè)置窗口新增強(qiáng)加電流和加速圖形用戶界面，為用戶帶來(lái)參數(shù)描述視覺化的好處

? 與工具捆綁發(fā)行的Workbench項(xiàng)目配置更加豐富，覆蓋各種參考設(shè)計(jì)板

? Workbench與技術(shù)文檔之間的鏈接被強(qiáng)化，在程序菜單內(nèi)輸入一個(gè)新項(xiàng)目后，用戶被直接轉(zhuǎn)向技術(shù)文檔：快速入門、用戶手冊(cè)、開發(fā)人員手冊(cè)和API參考手冊(cè)

? 此外，Workbench從上一版開始完全支持?jǐn)?shù)字PFC插接板，現(xiàn)在還能夠設(shè)置功率級(jí)AC輸入范圍，處理已實(shí)現(xiàn)的安全功能，例如，過流和過壓，讓用戶在驅(qū)動(dòng)管理級(jí)設(shè)置適合的閾值

利用高頻注入法實(shí)現(xiàn)零速控制

新版固件的改進(jìn)之處不局限于使用體驗(yàn)和易用性。4.0版包含一個(gè)新的無(wú)傳感器控制算法以及上一版的“最先進(jìn)”的BEMF狀態(tài)估計(jì)器，新的無(wú)傳感器控制算法叫做“高頻注入（HFI）”，適用于內(nèi)磁式永磁同步電機(jī)（PMSM）。在這種電機(jī)內(nèi)，磁體不是裝在轉(zhuǎn)子表面，而是埋在轉(zhuǎn)子的鐵芯內(nèi)。內(nèi)磁式永磁同步電機(jī) 出現(xiàn)電感異向性，從繞組與象限和直軸的關(guān)系中不難看出這一點(diǎn)（Lq不同于 Ld）。

圖 4： 電機(jī)磁結(jié)構(gòu)

高頻注入方法利用磁體結(jié)構(gòu)的異向性檢測(cè)低速和靜止轉(zhuǎn)子的角位置，這種無(wú)傳感器檢測(cè)技術(shù)擴(kuò)大了反電動(dòng)勢(shì) （BEMF）估計(jì)器或者反向電磁力檢測(cè)技術(shù)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)范圍。因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)幅度與電機(jī)轉(zhuǎn)速是比例關(guān)系，所以，當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速極低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)幅度因太小而不易被發(fā)現(xiàn)。基于一種完全不同的物理學(xué)原理的高頻注入法可以控制低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電機(jī)。脈動(dòng)場(chǎng)被注入到電機(jī)內(nèi)， 利用電機(jī)磁結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流計(jì)算電角。為了避免產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，注入頻率的設(shè)定值必須高于基本頻率。像是用X射線掃描電機(jī)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)磁體結(jié)構(gòu)異向性的電位置。這種方法適用于靜止到低轉(zhuǎn)速階段，與反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)器協(xié)同工作，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)自動(dòng)切換控制方法。這種新算法將屬于意法半導(dǎo)體為客戶提供的多項(xiàng)電機(jī)控制SDK創(chuàng)新專利技術(shù)，具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

? 零速全轉(zhuǎn)矩

? 低速運(yùn)轉(zhuǎn)

? 無(wú)傳感器式啟動(dòng)，無(wú)反向旋轉(zhuǎn)

? 最快的無(wú)傳感器式啟動(dòng)

? 無(wú)傳感器正（順時(shí)針）反（逆時(shí)針）向轉(zhuǎn)速檢測(cè)

此外，該解決方案可提升受益于啟動(dòng)效率的應(yīng)用系統(tǒng)的價(jià)值，包括空氣壓縮機(jī)、低速運(yùn)行或反向旋轉(zhuǎn)（洗衣機(jī)或工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)自行車或牽引電機(jī)）以及更多新興應(yīng)用。

意法半導(dǎo)體硬件工具

意法半導(dǎo)體為其電機(jī)控制固件庫(kù)提供配套評(píng)估板，讓用戶能夠在實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)評(píng)測(cè)意法半導(dǎo)體產(chǎn)品，例如，智能功率模塊（SLLIMM）、IGBT、柵驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)控制芯片和微控制器。針對(duì)三相電機(jī)控制應(yīng)用，我們主要介紹以下內(nèi)容：

由控制板和功率板構(gòu)成的靈活的模塊化系統(tǒng)，其中，控制板裝有任何一款 STM32 F0、F1、F2、F3或F4微控制器，以及豐富的功能外設(shè)，例如，MEMS、溫度傳感器、外部存儲(chǔ)器、LCD液晶屏、收發(fā)器、攝像頭等；在功率板上有基于SLLIMM （小型模塑低損耗智能功率模塊）的變頻器或者功率MOSFET或IGBT和柵驅(qū)動(dòng)器的分立器件?？刂瓢搴凸β拾蹇梢酝ㄟ^意法半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)“電機(jī)控制連接器”相連，確?？刂萍?jí)和功率級(jí)全面兼容。

圖5： 靈活的系統(tǒng)控制板和功率板

1. 單板電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案：在一塊電路板上集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需全部功能，適合某些特定應(yīng)用：空調(diào)、吊扇、洗碗機(jī)等；以STEVAL-IHM034V2為例，該方案能夠驅(qū)動(dòng)最高1.4kW的永磁同步電機(jī)PMSM，再連接一塊電路板，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)（FOC）。

圖 6： 完整的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

結(jié)論

我們簡(jiǎn)要介紹了最新版MC FOC SDK的新功能特性，意法半導(dǎo)體的自動(dòng)化和工業(yè)控制解決方案不斷增加新的功能、技術(shù)和產(chǎn)品，擴(kuò)大意法半導(dǎo)體電機(jī)控制生態(tài)系統(tǒng)，以順應(yīng)在工具易用性和快速評(píng)估的趨勢(shì)，同時(shí)關(guān)注能效、集成度和成本優(yōu)化等設(shè)計(jì)問題。