文档介绍：基于Cortex-M3的 STM32微控制器处理先进电机控制方法

作者:Vincent Onde, 意法半导体

变频器的问世和先进的电机控制方法让三相无刷电机(交流感应电机或永磁同步电
机)曾经在调速应用领域取得巨大成功。这些高性能的电机驱动器过去主要用于工
厂自动化系统和机器人。十年来,电子元器件的大幅降价使得这些电机驱动器能够
进入对成本敏感的市场,例如:家电、空调或个人医疗设备。本文将探讨基于ARM
的标准微控制器如何在一个被DSP和FPGA长期垄断的市场上打破复杂的控制模
式,我们将以意法半导体的基于Cortex-M3 内核的STM32系列微控制器为例论述这
个过程。

首先,我们回顾一下电机控制的基本原理。在电机控制系统内,为什么处理器非常
重要?我们为什么需要非常好的计算性能?毕竟,Nicolas Tesla在一个世纪前发明
交流电机时不需要编译器。只要需要调速,人们无法回避使用逆变器驱动一个性能
不错的3相电机,控制一个永磁同步电机(PMSM)运转更离不开逆变器,这个复杂的
功率电子系统的核心是一个直流转交流的3相逆变器,其中微控制器起到管理作用,
以全数字方式执行普通的三位一体的控制功能:检测(电流、转速、角度…)、处
理(算法、内务管理…)、控制功率开关(最低的配置也至少有6个开关)。

采用标量控制是一个三相交流电机实现变速运转的最简单方式。标量控制原理是在
施加到电机的频率和电压之间保持一个恒比。对于入门级电机驱动器,这是一个非
常主流的控制方法,适合负载特性非常普通且控制带宽要求不高的应用(如功率非
常小的电泵和风扇)。不幸地是,并不是所有的应用都能忍受如此简单的控制过程
及其应用限制。特别是,标量控制在瞬变环境内不能保证最佳的电机性能(转矩、
能效)。为克服这些限制,人们开发出了其它的电机控制方法,其中磁场定向控制
(又称矢量控制)是应用最广泛的方法之一。这种控制方式利用两个去耦直流控制
器,不管运转频率如何(例如转速),以驱动分开励磁电机的方式驱动任何一种交
流电机(感应电机或永磁电机)。励磁电流与直流的主磁通量(在一个PMSM电机
内的磁体磁通量)有关,而 90°移相电流可以控制转矩,功能相当于直流电机的电
枢电流。当负载变化时,磁场定向控制方式可实现精确的转速控制,而且响应速度
快,使定子磁通量和转子磁通量保持完美的90度相位差,即便在瞬变工作环境内,
仍然能够保证优化的能效,这是实现以电机拓扑为标志的更复杂的控制方法所依据
的基本理论框架,特别是对于PMSM电机,这个理论是无传感器电机驱动器的基础,
既可以大幅降低成本(不再需要转速或转角传感器和相关的连线),同时还能提高
电机可靠性。在这种情况下,必须只使用电机数学模型、电流值和电压值,通过计
算方法估算转子角度位置。在最低分钟转数只有几百转的情况下,这种状态观测器
理论(在其它控制方法中)可以实现无传感器的转速控制,在某些情况下,最低分
钟转数是静止状态。不过,这对CPU是一个额外的实时负荷。最后,微控制器必须
以1KHz到20KHz的速率连续重新计算矢量控制算法,具体速率取决于最终应用带
宽,处理Parke和Clarke转换和实现多个PID控制器和软