基于STM32的永磁同步电机驱动器设计

第９卷第ｌ期２０１１年２月

福建工程学院学报

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基于ＳＴＭ３２的永磁同步电机驱动器设计

张程

（福建工程学院电子信息与电气工程系。福建福州３５０１０８）

摘要：设计了一种采用永磁同步电机驱动、娜２处理器、空问磁场定向控制技术（ＦｏＣ）和空问电压

矢量脉宽调制技术等：私巴的专用驱动器，实现永磁同步电机的数字化变频调速，实现了无待感器技术

在永磁同步电机控制的应用，大大降低了驱动器的成本。

关键词：Ｓ１№２；ＳｖＰＷＭ；永磁同步电机

中图分类号：邶２１．５ｌ

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文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—４３４８（２０１１）０１—００６１一０４

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引言

随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技

永磁同步伺服驱动器２部分。本设计选用ＡＲＭ

公司的３２位具有突破性Ｃｏ嗽一Ｍ３内核的

ｓ１粥２Ｆ１０３闪存微控制器作为驱动器的核心，该

内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。该控制器

在系统中实现包括采样点选择、信号采集、信号辨识、数学算法运算、信号输出、通讯等功能。ＳＶＰ．ｗＭ【２１技术以其结构简单、效率高、开关频率高、易于数字化实现和转矩脉动小等特点极大地改善了变频电源和电机传动的控制性能，因而使得现代变频调速技术在广大的传动控制领域获得了广泛推广应用。该系统利用空间矢量脉宽调制控制算法，可以有效地解决电机的强耦合特性，适时地

术等支撑技术的快速发展，永磁交流伺服技术也

有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐

提高，价格趋于合理。永磁交流伺服系统的驱动

器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代川。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等问题，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流

控制电机的转矩、速度和位置状态，并且不用过大

收稿日期：２０１０—ｌＯ—１２

基金项目：福建工程学院科研发展基金青年项目（ＧＹ—ｚ０９０８６）

作者简介：张程（１９８２一），男（汉），山西临汾人，硕士，讲师，研究方向：信息检测与控制。

万方数据

６２

福建工程学院学报

第９卷

体积的能量变换装置即可随意地控制瞬态电流的幅值。

１

系统控制原理

永磁同步电动机的永磁转子产生恒定的电磁

场，当定子通以三相对称的正弦波交流电时，产生旋转磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，从而使转子旋转。若能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。因此，三相永磁同步电动机的控制可采用磁场定向控制（ＦＯＣ控制），控制原理框图如图ｌ所示，该控制原理的实现步骤如下：

图ｌ控制系统原理图

地．１

ｓｃｋｍ绌０ｆ伽删昭ｓｔ锄

１）测量三相定子电流，可得到ｆ。和瓦的值。

再通过ｆ。＋ｆ６＋ｆ。＝０的关系计算出ｉ。；

２）将３相电流经Ｃｌａｒｌ【ｅ变换至２轴系统，得

到变量屯和略，从定子的角度看，屯和‘是相互正

交的时变电流值；

３）按照控制环上一次迭代计算出的变换角，

来旋转２轴系统使之与转子磁通对齐。ｉ。和‘变量经过Ｐａｒｋ变换可得到Ｌ和‘。Ｌ和Ｌ为变换到

旋转坐标系下的正交电流，在稳态条件下，Ｌ和，口是常量；

４）误差信号由厶和Ｌ的实际值和各自的参考值进行比较而获得。Ｌ的参考值控制转子磁通；Ｌ的参考值控制电机的转矩输出；误差信号是到ＰＩ控制器的输入；控制器输出的％和圪为要施加到电机上的电压矢量；

５）通过位置和速度估算器估算出新的变换

角ｐ，其中ｉ小‘、圪和％是出入参数，新的角度可

万方数据

告知ＦＯＣ算法下一个电压矢量在何处；

６）通过使用新的角度口，可将ＰＩ控制器的％和Ｋ输出值逆变到静止参考坐标系，经Ｐａｒｋ逆变换计算出下一个正交电压值圪和Ｋ；

７）圪和％的值经过Ｃｌａｒｋｅ逆变换得到３相

值屹、Ｋ和ｙ。，该３相电压值可用来计算新的

ＰＷＭ占空比值，已生成所期望的电压矢量口】，图ｌ显示了整个控制原理的全过程。

系统中位置和速度信号的获取采用的是一种可靠的、低成本的无需传感器的控制方法（如图２所示）。无传感器控制技术是指在交流电动机控制系统中，去掉位置和速度传感器，利用电动机绕组中相关变量如定子电压、定子电流等，通过滑动模式观测控制器（８ｌｉｄｅ

ｒｎｏｄｅ

ｃｏｎ咖Ｕ盱，ＳＭＣ）来对

数字化电机模型进行补偿最后得到速度和位置信息的技术。滑动模式观测控制器（ｓＭＣ）包含一

个求和结点（如图３所示），用于计算电机上的测

量电流与数字化电机模型上的估算电流之差的符号。计算出的差值符号（＋１或一１）乘以ＳＭＣ增益（足），ＳＭＣ控制器的输出就是校正因子（Ｚ）。该增益被加到数字化模型的电压项，在每一个控制周期中都重复执行该过程直到测量电流（ｆ。）和估算电流（Ｅｆ）的差值为零（即直到测量电流与

估算电流相同为止）；一旦对数字化模型补偿完后，下一步就要对校正因子（ｚ）一阶滤波来估算反电动势（ｅｆ），然后反电动势的估算值（ｅｆ）反

馈给数字化电机模型，以在每个控制周期之后对变量ｅｆ进行更新。ｅ。和％的值（ｅｆ的矢量分量）

用于估算ｐ’；通过将ｍ次采样得到的每相邻两个

本文研究的永磁同步电机控制系统软件全部由ｓ，ｒＭ３２Ｆ１０３完成，主要是完成空间磁场定向控制（Ｆｏｃ），产生ＳｖＰＷＭ信号。控制软件包括初始化程序、主程序和中断服务子程序３个部分。系统在每次复位后，首先执行初始化程序，完成控口值的差进行累加，然后与一个常量值相乘，即可

得到速度值，为确保速度计算时获得较为平滑的信号，可对速度值进行一阶滤波。这样就完成了对位置和速度信号的获取。

２系统软件设计

制器内部设定和初始状态的检测，然后开启中断，执行主程序。一旦外部中断条件满足时，系统执行中断服务子程序，直到系统重新复位。图４为

第ｌ期张程：基于ｓｎＢ２的永磁同步电机驱动器设计

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图２无传感器矢量控制结构框图

图３滑膜观测器框图蛋峰．３

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主程序流程框图，图５为中断服务子程序框图。

图４主程序流程图

隐．４

Ｍａｉｎ肼ｑ卿ｍｎｏ删ｍａｒｔ

本系统由永磁三相同步电动机、以ｓ１Ｍ３２Ｆ１０３控制器为核心的控制电路、定子电流检测环节和以智能功率模块ＰＭ２０ＣｓＪ０６０为主的逆变电路等

构成。系统的所有控制和调节全部由Ｓ’ＩＭ３２Ｆ１０３

控制器用软件控制来完成，控制电路板直接输出

万方数据

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Ｉ电流从３车ｌ啭换为２袖标系转换至ｌ薛曲静止坐标系

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Ｉ针对电流和速度运行Ｉ删蝴

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图５中断服务子程序框图

№．５

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ＩＰＭ模块，驱动ＰＭＳＭ，实现对电机的变频控制。

３．１

Ｓ弧仰２微控制器

ＳＴＭ３２系列产品得益于Ｃｏｒｔ麟一Ｍ３在架构上

进行的多项改进，包括提高性能及代码密度的

．１１ｌｕｒＩＩｂ－２指令集和大幅度提高中断响应的紧耦合

嵌套向量中断控制器。相较于８位、１６位单片

机，Ｃｏ蹴ｘ．ｍ内核的好处是低功耗、高性能，且相

同的软件在不同的核之间可以兼容。相较于

ＡＲＭ系列其他芯片，洲３２运行速度更快，性能

更高，且在核上设计了单周期乘法制定的硬件触

发。在代码的密度上，比普通３２位单片机省３０％一４５％；与１６位单片机相比，代码空间可以节省５０％；如果拿８位单片机作比较，代码空间

可以节省７０％左右。在功耗方面，当ｓ１啦２工作

在ｌＭＨｚ频率时为０．１５ｍｗ，只有ＡＲｈｆ７的一半，所以在相同的工作模式下，ＳＴＭ３２可以减少３０％的功耗，其内核电压是１．８Ｖ，芯片电压是３．３

Ｖ，

可以选择睡眠模式、待机模式，保证低功耗应用的要求。系统的外围控制非常丰富：最大２５６ｋＢ的

ｎ鹪Ｈ（相当于ＡＲ肿的４５０

ｋＢ空间）、最大２０

ｋＢ

ＲＡＭ、２个１２Ｃ接口、２个ＳＰＩ接口、３个智能ＩＣ

卡接口（与ｕＡＲＴ复用）符合ＩＳ０７８１６协议、ＵＳＢ

２．Ｏ接口、８０个快速ＩＰＯ口、１６通道的１２位ＡＰＤ

转换器、７个定时器（包含一个眦）、支持通过

ＵＡＲＴ实现哪功能、ＩＣ卡读写器。ｓ１砌２的３

个ＵＡＲＴ口可以通过内部寄存器配置成智能卡模式，符合Ｉｓ０７８１６－３标准所定义的异步协议。而且意法半导体通过增加对Ｋｅｉｌ、队Ｒ和Ｇ∞ｅｎＨｉｌｌ８工具厂商的ｓＴＭ３２设计环境的支持，扩大了客户通过第三方工具链使用电机控制函数的渠道。意

３系统硬件设计

ＳｖＰＷＭ信号，经光电隔离接入驱动电路板上的

福建工程学院学报第９卷

法半导体按照客户的需求免费提供ｓＴＭ３２电机

控制函数库２．Ｏ版，这套函数库可直接与基于

ｓＴＭ３２的洲３２Ｆ１０Ｂ－ＭＣＫｒＩＩ电机控制应用硬件

评估工具和开发套件配合使用。

３．２系统主电路

逆变主电路为交一直一交电压型，整流侧为

单相二极管不可控型。这种方式不仅控制简单，而且系统具有较高的功率因数。为减小装置体

积，减少谐波，提高电流波形质量，逆变功率元

件采用高开关频率的三菱电机公司第三代智能功

率模块ＰＭ２０ＣｓＪｌ）６０。该模块为六合一封装，内部

为三相桥式电路结构，内部集成了高速、低功耗的ＩＧＢＴ芯片及其驱动、保护电路。此外，该模块还集成了过热和欠压锁定保护电路，使得系统的可靠性得到进一步提高ＭＪ。控制电路上的

图６系统主电路图

№．６

ｓｙｓｔ锄ｄ瞰ｍｍａ肿

ｓｒＩ懈２Ｆ１０３控制器的特点，开发了一套基于

Ｓ１Ｍ３２Ｆ１０３的永磁同步电机驱动器。利用ＳＶＰＷＭ控制信号就可以实现对永磁同步电动机的变频控制【５Ｊ，在控制算法上实现了滑膜控制来替代位置和速度传感器等硬件，大大降低了驱动器的成本。该控制系统充分利用了ｓＴＭ３２Ｆ１０３的超强实时计算能力和一些集成器件，使整个系统结构简单、产品开发周期短、可靠性强。

舢２Ｆ１０３芯片输出的六路空间矢量信号ｓｖＰ－

ＷＭ经光耦６Ｎ１３６实现对刀咖隔离驱动，再将整

流滤波后的直流电压逆变为所需的高频交流电驱

洲３２Ｆ１０３控制器的６个朋Ｍ全比较器产生的

动永磁同步机。系统主电路如图６所示。

５结论

本文根据永磁同步电动机矢量控制原理和

参考文献：

［Ｉ］李永乐．交流电机数字控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２∞２．

［２］杨贵杰，孙力．空间矢量脉宽调制方法的研究［Ｊ】．中国电机工程学报，２００１（５）：∞一科．

［３】刘铁湘，陈林康，曾岳南．ｓｖＰｗＭ永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真［Ｊ］．电力科学与工程，２００４（１）：４９—５６．［４］唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９７．

［５］李新华，张学杰，张字．永磁同步电动机在变频空调中的应用［Ｊ］．微特电机，２００４（２）：２３—２５．

（责任编辑：陈雯）

万方数据

基于STM32的永磁同步电机驱动器设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

张程， Zhang Cheng

福建工程学院,电子信息与电气工程系,福建,福州,350108福建工程学院学报

JOURNAL OF FUJIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2011,09(1)

参考文献(5条)

1. 李新华;张学杰;张字 永磁同步电动机在变频空调中的应用[期刊论文]-微特电机 2004(02)2. 唐任远 现代永磁电机理论与设计 1997

3. 刘铁湘;陈林康;曾岳南 SVPWM永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真 2004(01)4. 杨贵杰;孙力 空间矢量脉宽调制方法的研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2001(05)5. 李永乐 交流电机数字控制系统 2002

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