基于Cortex-M3的 STM32微控制器處理先進電機控制方法

變頻器的問世和先進的電機控制方法讓三相無刷電機（交流感應電機或永磁同步電機）曾經在調速應用領域取得巨大成功。這些高性能的電機驅動器過去主要用于工廠自動化系統和機器人。十年來，電子元器件的大幅降價使得這些電機驅動器能夠進入對成本敏感的市場，例如：家電、空調或個人醫療設備。本文將探討基于ARM的標準微控制器如何在一個被DSP和FPGA長期壟斷的市場上打破復雜的控制模式，我們將以意法半導體的基于Cortex-M3 內核的STM32系列微控制器為例論述這個過程。

圖 3：STM32:強固的增長基礎

首先，我們回顧一下電機控制的基本原理。在電機控制系統內，為什么處理器非常重要？我們為什么需要非常好的計算性能？畢竟，Nicolas Tesla在一個世紀前發明交流電機時不需要編譯器。只要需要調速，人們無法回避使用逆變器驅動一個性能不錯的3相電機，控制一個永磁同步電機(PMSM)運轉更離不開逆變器，這個復雜的功率電子系統的核心是一個直流轉交流的3相逆變器，其中微控制器起到管理作用，以全數字方式執行普通的三位一體的控制功能：檢測（電流、轉速、角度…）、處理（算法、內務管理…）、控制功率開關（最低的配置也至少有6個開關）。

采用標量控制是一個三相交流電機實現變速運轉的最簡單方式。標量控制原理是在施加到電機的頻率和電壓之間保持一個恒比。對于入門級電機驅動器，這是一個非常主流的控制方法，適合負載特性非常普通且控制帶寬要求不高的應用（如功率非常小的電泵和風扇）。不幸地是，并不是所有的應用都能忍受如此簡單的控制過程及其應用限制。特別是，標量控制在瞬變環境內不能保證最佳的電機性能（轉矩、能效）。為克服這些限制，人們開發出了其它的電機控制方法，其中磁場定向控制（又稱矢量控制）是應用最廣泛的方法之一。這種控制方式利用兩個去耦直流控制器，不管運轉頻率如何（例如轉速），以驅動分開勵磁電機的方式驅動任何一種交流電機（感應電機或永磁電機）。勵磁電流與直流的主磁通量（在一個PMSM電機內的磁體磁通量）有關 ，而 90°移相電流可以控制轉矩，功能相當于直流電機的電樞電流。當負載變化時，磁場定向控制方式可實現精確的轉速控制，而且響應速度快，使定子磁通量和轉子磁通量保持完美的90度相位差，即便在瞬變工作環境內，仍然能夠保證優化的能效，這是實現以電機拓撲為標志的更復雜的控制方法所依據的基本理論框架，特別是對于PMSM電機，這個理論是無傳感器電機驅動器的基礎，既可以大幅降低成本（不再需要轉速或轉角傳感器和相關的連線），同時還能提高電機可靠性。在這種情況下，必須只使用電機數學模型、電流值和電壓值，通過計算方法估算轉子角度位置。在最低分鐘轉數只有幾百轉的情況下，這種狀態觀測器理論（在其它控制方法中）可以實現無傳感器的轉速控制，在某些情況下，最低分鐘轉數是靜止狀態。不過，這對CPU是一個額外的實時負荷。最后，微控制器必須以1KHz到20KHz的速率連續重新計算矢量控制算法，具體速率取決于最終應用帶寬，處理Parke和Clarke轉換和實現多個PID控制器和軟件鎖相環確實需要高強度的數字計算，這就是過去為什么數字信號處理器、微處理器或FGPA器件被用作控制器的原因。

盡管專用雙模控制器和低端定點DSP架構已經問世，但是意法半導體仍然選擇使用Cortex-M3內核開發STM32微控制器。這個解決方案可很好地滿足大量的無刷電機驅動器的要求，從一次性工程費用的角度看，該解決方案的優點是采用行業標準的ARM®內核和標準微控制器的成本效益。