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(gòu)，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(shù)優(yōu)點（附加優(yōu)化的乘加運算和硬件除法指令）。

電機控制系統(tǒng)要求微控制器須具備卓越的實時響應(yīng)性（中斷延時短）、純處理功能（如單周期乘法）以及優(yōu)異的控制性能（當處理非序列執(zhí)行流和條件轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)，該內(nèi)核與意法半導體優(yōu)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(shè)即可處理外部事件（圖2所示是STM32F103中容量微控制器的結(jié)構(gòu)框圖)。不用說，PWM定時器和模數(shù)轉(zhuǎn)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(qū)時間插入邏輯，特別強調(diào)安全性:該模塊直接控制功率開關(guān)換向，可控開關(guān)功率達到數(shù)千瓦。例如，用于配置某些重要參數(shù)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(tài)。這個功能設(shè)計采用組合邏輯模塊，當主時鐘（晶體）失效時，內(nèi)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(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)最佳的電流測量精度。

圖 2：STM32F103中容量微控制器結(jié)構(gòu)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(qū)動系統(tǒng)的總體性能取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量。STM32F103芯片內(nèi)置三個采樣率為1MSps的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在整個溫度和電壓范圍內(nèi)，總不可調(diào)整誤差 (TUE)低于5 LSB。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口有三個主要功能：首先，使CPU擺脫簡單控制任務(wù)和數(shù)據(jù)處理；其次連接芯片的其余部件（中斷請求、DMA請求、觸發(fā)輸入）；最后，使STM32的多路轉(zhuǎn)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(fā)生器。對比傳統(tǒng)的掃描電路（按照模擬輸入序號，按序轉(zhuǎn)換一定數(shù)量的通道）， 在一個16個轉(zhuǎn)換通道組成的順列（例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11）內(nèi)，序列發(fā)生器可按任何順序轉(zhuǎn)換通道，當設(shè)計人員在設(shè)計印刷電路板時，這個功能給設(shè)計人員帶來更高的設(shè)計靈活性，為實現(xiàn)平均轉(zhuǎn)換目的，準許對同一通道進行多次采樣（在一個序列內(nèi)），當整個序列轉(zhuǎn)換完畢后，DMA通道將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到RAM，中斷處理程序產(chǎn)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(guān)上產(chǎn)生的噪聲（在離線開關(guān)應(yīng)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(jié)果的信噪比非常低。解決方案是使模數(shù)轉(zhuǎn)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(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作。基于這個原因，STM32啟用了第二個序列發(fā)生器（又稱注入序列發(fā)生器），該序列發(fā)生器的優(yōu)先級高于正常序列發(fā)生器，可以用一個不能延遲的新轉(zhuǎn)換操作使當前的轉(zhuǎn)換操作中斷。通常情況下，正常序列發(fā)生器負責“內(nèi)部管理”轉(zhuǎn)換，連續(xù)檢測溫度或直流總線電壓（作為后臺任務(wù)），然后通過DMA通道發(fā)送到RAM，而注入序列發(fā)生器則將處理時間關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換操作，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器（將會產(chǎn)生一個中斷，但是不能接受延時）。