基于STM32單片機的大扭矩永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)

0 引言

大扭矩永磁同步電機直接驅(qū)動由于去掉了復(fù)雜的機械傳動機構(gòu)，從而消除了機械結(jié)構(gòu)帶來的效率低、維護頻繁、噪聲與轉(zhuǎn)動慣量大等不利因素，具有效率高、振動與噪聲小、精度高、響應(yīng)快、使用維修方便等一系列突出優(yōu)點[1]。近年來，隨著電力電子技術(shù)、永磁材料、電機設(shè)計與制造技術(shù)、傳感技術(shù)、控制理論等的發(fā)展，大扭矩永磁同步電機在數(shù)控機床、礦山機械、港口機械等高性能系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2 - 3]。

交流電機控制系統(tǒng)廣泛采用單片機、DSP、FPGA為控制系統(tǒng)核心。STM32 是一種基于ARM 公司Cortex-M3 內(nèi)核的新型32 位閃存微控制器，采用了高性能、高代碼密度的Thumb-2 指令集和緊耦合嵌套向量中斷控制器，擁有豐富的外圍接口，具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點[4]。本文針對一種港口機械用大扭矩永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，采用STM32 + IPM 硬件構(gòu)架設(shè)計了高性能、低成本的控制系統(tǒng)。

1 大扭矩永磁同步電機矢量控制原理

忽略電機的鐵心飽和、渦流及磁滯損耗，不計漏磁通的影響，大扭矩永磁同步電機的電壓、磁鏈、轉(zhuǎn)矩方程分別為式中，

ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為永磁同步電機d、q 軸的磁鏈、電壓、電流和電感，Rs為電樞繞組電阻，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，ψf為永磁體產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)子交鏈的磁鏈，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Pn為電機磁極對數(shù)。

由式( 3) ，控制id = 0 使定子電流矢量位于q軸，此時轉(zhuǎn)矩Te和iq呈線性關(guān)系，實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。如圖1 所示，本文的永磁同步電機采用速度、電流雙閉環(huán)控制，圖中ω* 為給定速度指令，ω 為速度反饋，將速度誤差輸入速度控制器，輸出交軸電流指令i*q，通過電流PI 控制器和坐標(biāo)變換，再利用SVPWM 產(chǎn)生IPM 開關(guān)信號。

圖1 大扭矩永磁同步電機控制原理框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

圖2 所示為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖， 本文采用STM32F103VCH6 主控芯片、PM800HSA120 智能功率模塊為系統(tǒng)核心，硬件控制系統(tǒng)主要有: 處理器模塊; 檢測模塊，主要包括霍爾電流檢測、旋轉(zhuǎn)變壓器接口電路; 主電路，主要由整流、軟啟動、濾波、制動電路，以及PM800HSA120 及其驅(qū)動、保護、吸收電路組成; 開關(guān)電源及其他模塊，主要由多路DC /DC 轉(zhuǎn)換、直流母線電壓保護、溫度檢測保護等電路組成。

圖2 大扭矩永磁同步電機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2. 1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2. 1. 1 處理器模塊

STM32F103VCH6 是基于ARM 公司Cortex-M3 內(nèi)核的新型32 位閃存微控制器，擁有三級流水線和分支預(yù)測功能，最高工作頻率為72 MHz，可以滿足本系統(tǒng)處理速度和實時性的需求，有兩個高性能的12位的16 通道A/D 轉(zhuǎn)換器、兩個16 位專為電機驅(qū)動設(shè)計的內(nèi)嵌死區(qū)控制6-PWM 定時器，片上還集成有SPI、USB 2. 0 等豐富的外設(shè)和接口[5]。如圖2 所示，本系統(tǒng)充分利用了STM32 的片上資源，利用它來接收、處理電流、位置等反饋信號，接收、處理各種出錯保護信號，執(zhí)行電機控制算法等。