基于Cortex-M3的 STM32微控制器處理先進電機控制方法

基于Harvard架構，這個32位RISC采用Thumb2指令集，提供16位和32位指令。對比純32位代碼，這個指令集能夠大幅提高代碼密度，同時保留原有ARM7指令集的多數優點（附加優化的乘加運算和硬件除法指令）。

電機控制系統要求微控制器須具備卓越的實時響應性（中斷延時短）、純處理功能（如單周期乘法）以及優異的控制性能（當處理非序列執行流和條件轉移指令時）。Cortex-M3能夠滿足所有這些要求。例如，當時鐘頻率是72MHz時，在25µs內對一個永磁電機完成一次無傳感器磁場定向控制，這相當于在10 kHz采樣率下25% 的CPU負荷。

在STM32微控制器內，該內核與意法半導體優化型閃存接口緊密配合，只需增加很少的外部元器件，周邊外設即可處理外部事件（圖2所示是STM32F103中容量微控制器的結構框圖)。不用說，PWM定時器和模數轉換器是最重要元器件。PWM定時器包括最先進的功能，如中央對齊模式PWM信號生成和死區時間插入邏輯，特別強調安全性:該模塊直接控制功率開關換向，可控開關功率達到數千瓦。例如，用于配置某些重要參數的寄存器代碼可以被鎖保護，以防軟件失效。只要“緊急停止”引腳被拉低，所有的 I/O引腳都被置于用戶可配置的安全狀態。這個功能設計采用組合邏輯模塊，當主時鐘（晶體）失效時，內部切換到后備振蕩器之前，可確保保護電路仍然能夠正常工作。最后，該微控制器還包含一個第4比較通道，專門用于觸發模數轉換器，實現最佳的電流測量精度。

圖 2：STM32F103中容量微控制器結構框圖

即使最復雜的算法幾乎也無法修正不精確的模擬測量值，但是，在某種程度上，電機驅動系統的總體性能取決于模數轉換器的質量。STM32F103芯片內置三個采樣率為1MSps的12位模數轉換器，在整個溫度和電壓范圍內，總不可調整誤差 (TUE)低于5 LSB。模數轉換器的數字接口有三個主要功能：首先，使CPU擺脫簡單控制任務和數據處理；其次連接芯片的其余部件（中斷請求、DMA請求、觸發輸入）；最后，使STM32的多路轉換器同步操作。在這些對無刷電機控制有用的功能中，我們首先考慮通道讀序列發生器。對比傳統的掃描電路（按照模擬輸入序號，按序轉換一定數量的通道）， 在一個16個轉換通道組成的順列（例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11）內，序列發生器可按任何順序轉換通道，當設計人員在設計印刷電路板時，這個功能給設計人員帶來更高的設計靈活性，為實現平均轉換目的，準許對同一通道進行多次采樣（在一個序列內），當整個序列轉換完畢后，DMA通道將轉換結果送到RAM，中斷處理程序產生一個中斷請求。

在檢測電機相位電流的過程中，瞬變電壓在功率開關上產生的噪聲（在離線開關應用中，典型噪聲達到幾百個V/µs）是引起讀取誤差的一個重要原因，可能導致測量結果的信噪比非常低。解決方案是使模數轉換器與控制功率級的定時器同步：因為換向時刻可以預定（由3 PWM定時器的比較寄存器定義），所以可以使用一個額外比較通道在換向時刻稍前或稍后觸發模數轉換操作。基于這個原因，STM32啟用了第二個序列發生器（又稱注入序列發生器），該序列發生器的優先級高于正常序列發生器，可以用一個不能延遲的新轉換操作使當前的轉換操作中斷。通常情況下，正常序列發生器負責“內部管理”轉換，連續檢測溫度或直流總線電壓（作為后臺任務），然后通過DMA通道發送到RAM，而注入序列發生器則將處理時間關鍵的轉換操作，并將轉換結果存儲在模數轉換器寄存器（將會產生一個中斷，但是不能接受延時）。