基于Cortex-M3的STM32微控制器处理先进电机控制方法

     在电机操纵系统内，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?究竟，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逆变器

　　逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、操纵逻辑和滤波电路组成.广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。 [全文]

驱动一个性能不错的3相电机，操纵一个永磁同步电机(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，其中微操纵器微操纵器

　　一个微操纵器，（也称作微处理器或MCU）就是一个小型的计算机，它由一系列简洁的电路和一些支持微处理器作用的简洁模块组成，如晶体振荡器，定时器，看门狗，串行和模拟I / O口等等。芯片里包括非闪烁存储器和OTP ROM 用来存储程序，以及一个很小的读写程序。 [全文]

起到治理作用，以全数字方式执行一般的三位一体的操纵功能：检测(电流、转速、角度?)、处理(算法、内务治理?)、操纵功率开关开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

(最低的配置也至少有6个开关)。

　　采纳标量操纵是一个三相交流电机实现变速运转的最简洁方式。标量操纵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操纵方法，适合负载特性非常一般且操纵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洁的操纵过程及其应用限制。非凡是，标量操纵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，人们开发出了其他的电机操纵方法，其中磁场定向操纵(又称矢量操纵)是应用最广泛的方法之一。这种操纵方式利用两个去耦直流操纵器，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°移相电流可以操纵转矩，功能相当于直流电机的电枢电流。当负载变化时，磁场定向操纵方式可实现精确的转速操纵，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°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操纵方法所依据的基本理论框架，非凡是对于PMSM电机，这个理论是无传感器传感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器是测试系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测试的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测试信号输入的第一道关口。 [全文]

电机驱动器电机驱动器

　　电机驱动器是操纵电机用的操纵器，是电机系统的一部分。数字操纵技术的进展使得如今的电机驱动器更加数字化，网络化和智能化，成为时下电机操纵的主流。 [全文]

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(在其他操纵方法中)可以实现无传感器的转速操纵;在某些情况下，最低分钟转数是静止状态。不过，这对微处理器是一个额外的实时负荷。最后，微操纵器必须以1k~20kHz的速率连续重新计算矢量操纵算法，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操纵器和软件锁相环确实需要高强度的数字计算，这就是过去为什么DSPDSP

　　dsp是digital signal processor的简称，即数字信号处理器。它是用来完成实时信号处理的硬件平台，能够接受模拟信号将其转换成二进制的数字信号，并能进行一定形式的编辑，还具有可编程性。由于强大的数据处理能力和快捷的运行速度，dsp在信息科学领域发挥着越来越大的作用。 [全文]

、微处理器或FGPA器件被用作操纵器的缘由。

　　尽管专用双模操纵器和低端定点DSP架构已经问世，但是意法半导体仍然选择使用Cortex-M3内核开发STM32微操纵器。该方案可很好地满足大量无刷电机驱动器的要求，从一次性工程费用的角度看，其优点是采纳行业标准的ARM内核和标准微操纵器的成本效益。

STM32F103HD可以同时处理双电机操纵和数字PF

　　基于Harvard架构，此32位RISC采纳umb2指令集，提供16位和32位指令。对比纯32位代码，这个指令集能够大幅提高代码密度，同时保留原有ARM7指令集的多数优点(附加优化的乘加运算和硬件除法指令)。

　　电机操纵系统要求微操纵器须具备卓越的实时响应性(中断延时短)、纯处理功能(如单周期乘法)以及优异的操纵性能(当处理非序列执行流和条件转移指令时)。Cortex-M3能够满足所有这些要求。例如，当时钟频率是72MHz时，在25μs内对一个永磁电机完成一次无传感器磁场定向操纵，这相当于在10kHz采样率下25% 的微处理器负荷。

　　在STM32微操纵器内，该内核与意法半导体优化型闪存接口紧密配合，只需增加很少的外部元器件，周边外设即可处理外部事件(图2所示是STM32F103微操纵器的结构框图)。不用说，PWM定时器和模数转换器转换器

　　转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备，它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上，让人们可以在电视上学电脑，上网，玩游戏，做商业演示，看股票等等。 [全文]

是最重要元器件。PWM定时器包括最先进的功能，如中心对齐模式PWM信号生成和死区时间插入逻辑，非凡强调安全性：该模块直接操纵功率开关换向，可控开关功率达到数千瓦。例如，用于配置某些重要参数的寄存器代码可以被锁守护，以防软件失效。只要“紧急停止”引脚被拉低，所有的 I/O引脚都被置于用户可配置的安全状态。这个功能设计采纳组合逻辑模块，当主时钟(晶体)失效时，内部切换到后备振荡器振荡器

　　振荡器是收发设备的基础电路,它的作用是产生一定频率的交流信号，是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。 [全文]

之前，可确保守护电路仍然能够正常工作。最后，该微操纵器还包含一个第4比较通道，专门用于触发模数转换器模数转换器

　　模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波、采样保持和编码的过程。模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯外形信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。 [全文]

，实现最佳的电流测试精度。

STM32F103中容量微操纵器结构框图

　　即使最复杂的算法几乎也无法修正不精确的模拟测试值，但是，在某种程度上，电机驱动系统的总体性能取决于模数转换器的质量。STM32F103芯片内置三个采样率为1MSps的12位模数转换器，在整个温度和电压范围内，总不可调整误差 (TUE)低于5 LSB。模数转换器的数字接口有三个主要功能：首先，使微处理器摆脱简洁操纵任务和数据处理;其次，连接芯片的其余部件(中断请求、DMA请求、触发输入);最后，使STM32的多路转换器同步操作。在这些对无刷电机操纵有用的功能中，我们首先考虑通道读序列产生器。对比传统的扫描电路(按照模拟输入序号，按序转换一定数量的通道)， 在一个16个转换通道组成的顺列(例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11)内，序列产生器可按任何顺序转换通道，当设计人员在设计印刷电路板时，这个功能给设计人员带来更高的设计灵活性，为实现平均转换目的，准许对同一通道进行多次采样(在一个序列内)，当整个序列转换完毕后，DMA通道将转换结果送到RAM，中断处理程序产生一个中断请求。

　　在检测电机相位电流的过程中，瞬变电压在功率开关上产生的噪声(在离线开关应用中，典型噪声达到几百个V/μs)是引起读取误差的一个重要缘由，可能导致测试结果的信噪比非常低。解决方法是使模数转换器与操纵功率级的定时器同步：因为换向时刻可以预定(由3 PWM定时器的比较寄存器定义)，所以可以使用一个额外比较通道在换向时刻稍前或稍后触发模数转换操作。基于这个缘由，STM32启用了第二个序列产生器(又称注入序列产生器)，该序列产生器的优先级高于正常序列产生器，可以用一个不能延迟的新转换操作使当前的转换操作中断。通常情况下，正常序列产生器负责“内部治理”转换，连续检测温度或直流总线总线

　　总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们经常以MHz表示的速度来描述总线频率。 [全文]

电压(作为后台任务)，然后通过DMA通道发送到RAM，而注入序列产生器则将处理时间要害的转换操作，并将转换结果存储在模数转换器寄存器(将会产生一个中断，但是不能接受延时)。

　　对于一个能够执行先进的电机操纵功能的通用微操纵器，拥有微操纵器是一回事，而开发轻松入门却是另一回事。利用软硬件工具可以把这个问题的两个方面都处理好。首先是拥有一套电机操纵开发入门工具，之后，意法半导体为STM32客户免费提供电机操纵软件库。2.0版电机操纵软件库利用头文件内的一个简洁且低廉的 #define声明列表支持各种配置。软件库包含交流感应电机和同步电机的磁场定向操纵算法，为简化代码的可读性和可维护性，这些算法采纳C编程语言，再次证实了现代编译器的效率。该软件库还针对PMSM电机提供一个稳健的无传感器操纵算法(基于磁通观测器)，以及一个超高速内部永磁电机 (IPM)专用操纵算法。

　　意法半导体目前的主要开发项目是操纵电机直到静止状态的无传感器永磁电机操纵和内置功率因数校正功能的双电机操纵。最近，意法半导体成功演示了单电流检测方法，仅一个STM32微操纵器就能执行两个单电流检测矢量操纵功能，同时还用一个40 kHz的操纵回路治理PFC级(详见图1)。

　　STM32微操纵器产品线将继续沿四个新方向部署，如图3所示，其中两个方向适用于电机操纵。第一个产品线将面向低成本市场，开发低端的16位电机操纵微操纵器。另一个产品线以高性能为诉求，面向需要更高处理性能、更大存储容量和高带宽接口的应用。如此宽广的产品组合结合Cortex-M3内核，势必确立STM32架构适用于现在和未来电机驱动的多功能性。

STM32:强固的增长基础

  来源:椰子

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