STM32如何实现电机控制

STM32马达控制软件介绍及开发套件的使用2009年STM32全国研讨会北京、深圳、上海、台北、青岛、重庆、南京、哈尔滨、武汉、福州、西安STM32全国研讨会14-25/09/20092演讲内容STM32面向马达控制的特性STM32马达控制软件库的介绍FOC简介软件库特点软件库结构软件库性能马达控制套件的使用套件特点套件功能怎样基于STM32马达控制套件及软件库实现PMSM马达的无传感器模式控制使用户能在很短时间内就能运转自己的马达STM32全国研讨会14-25/09/20093STM32面向马达控制的特性功能强劲的内核－ARMCortex-M31.25DMIPS/MHz，哈弗结构，与ARM7相比性能提高30%单周期乘法、硬件除法及乘累加指令代码密度Thumb-2指令集，与ARM7相比代码密度提高30%NVIC：快速的中断响应面向马达控制的丰富的外设16位高级定时器6通道三相互补PWM的产生，带硬件死区，每个通道的极性独立设定时钟为72MHz(13.9ns精度)紧急故障输入端口，可异步地关断PWM的输出可触发ADC的事件16位通用定时器霍尔、编码器硬件接口ADC双ADC或三ADC模块12BIT精度，1MSps，每个通道的采样时间可单独编程可由外部或定时器事件触发DMA通道分组：注入转换组及常规转换组SCAN模式多样化的双ADC模式STM32全国研讨会14-25/09/20094软件库——FOC简介FOC(FieldOrientedControl)，采用数学方法实现三相马达的力矩和励磁的解耦控制定子电流被分解成：励磁电流Id：产生励磁交轴电流Iq：控制电磁力矩，类似于DC马达的电枢电流FOC算法优点：当负载变化时，速度响应快速而精确马达的瞬时效率得到优化能实现位置控制（通过瞬时力矩控制）STM32全国研讨会14-25/09/20095软件库——特点(1)针对无刷马达控制的方案–有传感器/无传感器方案的实现交流感应马达(带速度反馈)PMSM马达(无传感器方案的实现)特点GUI用户界面：产生软件库的头文件用户调试界面(通过LCD及JOYSTICK)：可实时地调试PID及观测器参数DAC功能：可实时地跟踪某些重要的变量以循序渐进的方式指导用户如何使用软件库来开发自己的项目详尽的用户手册免费的软件源代码STM32全国研讨会14-25/09/20096软件库——特点(2)特点(续)优化的PMSM马达控制不同的转子位置反馈方法的实现–Sensor模式：HALL(120度/60度)/ENCODER–Sensorless模式：Luenberger观测器及PLL算法马达相电流采样：–三电阻法–单电阻法：改善硬件成本–电流传感器法MTPA－I-PMSM马达的优化控制改进的弱磁控制算法：无须知道马达的精确参数电流前馈：可实现对DCBUS纹波的补偿STM32全国研讨会14-25/09/20097软件库——特点(3)：GUI界面通过直观的界面配置软件库输入马达及控制参数，可直接生成软件库的头文件STM32全国研讨会14-25/09/20098软件库——特点(4)：实时调试界面可实时地调节力矩环，励磁环及速度环PID的参数可实时地调节观测器的增益参数(无传感器模式下)可实时地改变目标速度(速度控制模式下)或目标力矩及励磁(力矩控制模式下)进入弱磁控制区的上限电压值的选择DCBUS电压及功率板温度监控DAC输出变量的选择STM32MotorControlPMSMFOCver1.0SensorlessDemoSpeedcontrolmodeTargetMeasured02500(rpm)00000←→Move↑↓ChangeSTM32全国研讨会14-25/09/20099STM32MotorControlPMSMFOCver1.0SingalonPB0IqrefSingalonPB1Ia←→Move↑↓Change软件库——特点(5)：DAC功能通过TIM3的两个PWM通道实现可通过LCD菜单实时地检测两个软件变量软件脱机运行，避免使用仿真器运行时引起的驱动电路烧坏可实时检测马达相电流，速度，转子位置等可在头文件中通过条件编译行禁止STM32全国研讨会14-25/09/200910软件库——特点(6)：MTPAMTPA－I-PMSM(永磁体内嵌式马达：LdLq)的优化控制控制‘力矩/电流比’最大化提高效率STM32全国研讨会14-25/09/200911软件库——特点(7)：循序渐进的开发通过头文件STM32F10X_MCconf.h实现一步一步地指导用户进行项目的开发通过条件编译避免包含不需要的代码/**************CurrentsensingbyICS(Isolatedcurrentsensors)************///#defineICS_SENSORS/**************CurrentsensingbyThreeShuntresistors*******************/#defineTHREE_SHUNT/**************PositionsensingbyIncrementalencoder*******************///#defineENCODER/***********************SpeedsensingbyHallsensors******************///#defineHALL_SENSORS/******************************Nospeedsensors*********************///#defineNO_SPEED_SENSORS//#defineVIEW_HALL_FEEDBACK//#defineVIEW_ENCODER_FEEDBACK/********************PI+DifferentialtermforId&Iqregulation**********///#defineId_Iq_DIFFERENTIAL_TERM_ENABLED/*****************PI+Differentialtermforspeedregulation**************///#defineSPEED_DIFFERENTIAL_TERM_ENABLED/**********************PIDsParameterregulationsoftware**************///#defineFLUX_TORQUE_PIDs_TUNING//#defineOBSERVER_GAIN_TUNING#defineDAC_FUNCTIONALITY//#defineIPMSM_MTPA#defineFLUX_WEAKENING//#defineFEED_FORWARD_CURRENT_REGULATIONSTM32全国研讨会14-25/09/200912软件库——FOC软件框图vqd*vqd*θrelva,b,c3phaseinverterIPMSMMotor~ACMains~shuntsvqd-vabciabc-iqd电流采样无传感器观测器PID电流调节电流前馈&BUS电压补偿PI速度调节定子电压闭环弱磁ωrMTPAiqd*iabcTe*iqd**iqdvoltagelevel*ωr+θrelBusvoltageVmeasurementωr速度环电流环STM32全国研讨会14-25/09/200913软件库性能——FOC算法执行时间基于CortexTM-M3强劲的计算能力，sensorless模式下FOC控制环的执行时间如下(与第三方编译器有关)三电阻电流采样方式：从20.2µs到21.6µs单电阻电流采样方式：从23.9µs到26µsvdsvqs+-+-iqsidsiqs*ids*θrelvα’β’siabcsθreliαβsPIDPIDREVERSEPARK&circlelimitationCALCSVPWM3-SHUNTCURRENTREADINGSENSORLESSROTORPOSITIONFEEDBACKCLARKEPARKCPUload@10kHzsamplingtime≈30%CPUload@10kHzsamplingtime25%1-SHUNTCURRENTREADINGSTM32全国研讨会14-25/09/200914软件库性能——代码长度由于Thumb2指令集具有较好的代码密度，PMSMFOC软件库的总的代码长度(sensorless模式，三电阻电流采样)为：23.3kB到24.7kB(与第三方的编译器有关)排除LCD及Joystick管理代码，纯的马达驱动的代码长度为：(矢量控制模块的优化选项为速度优化)12.5KbSTM32全国研讨会14-25/09/200915马达控制套件(1)——特点高压驱动板+低压控制板整合成一块主板，价格远低于第一代套件更高的功率容量(与第一代套件相比)直观的硬件平台，使用户无需设计硬件即可进行马达驱动性能的评估。给用户设计硬件电路提供参考仿真器(不包含在套件中)隔离板主板STM32全国研讨会14-25/09/200916马达控制套件(2)：功能兼容STM32FOC软件库软件库可以直接在该套件上运行通过跳线设置，可满足软件的各种编译模式单电阻和三电阻电流取样选择功能编码器/HALL输入检测功能，Sensorless模式满足大功率应用要求，如变频空调压缩机及工业大功率电机驱动的开发调试20A/30AIGBT三相半桥驱动模块主动PFC控制功能兼容部分PFC、全部PFC硬件拓扑结构，包括：–AC输入电压波形检出（正弦波）–电感电流波形检出（正弦波）–DCBUS电压检出PFC硬件保护电路：IGBT过流硬件自关断，IGBT过流保护信号输出可提升DCBUS电压，抑制输入电流谐波STM32全国研讨会14-25/09/200917马达控制套件的使用(3)：功能一块控制板集成了EVB及功率驱动的所有功能，摒弃了原开发套件(EVB+PowerStage)的模式，且驱动功率更高JTAG仿真隔离板能耗刹车控制电路LCD及Joystick用户界面：可结合FOC软件库调试马达RS232通信接口(光耦隔离)CAN通信接口上电延时功能：抑制上电浪涌电流可驱动低压马达(12V/24V)及高压马达(交流220V)STM32全国研讨会14-25/09/200918基于马达控制套件实现PMSM马达的控制(1)使用GUI产生软件库参数头文件使马达运行在纯传感器模式HALL或ENCODER选择马达电流采样方式马达电流采样电路参数设置Shunt：0.015欧放大倍数：3.9输入马达参数使能电流环调节使用GUI产生参数头文件，替代软件库中的原文件，编译软件库，通过JTAG仿真器把程序烧入MCU在套件上运行，此时马达短时间地正反转，运行在速度开环模式下，用DAC功能监测阶跃响应，实时调节电流PID参数；把电流PID参数结果写入软件，禁止电流环调节，使马达运行在速度闭环模式下，调节速度PID参数STM32全国研讨会14-25/09/200919基于马达控制套件实现PMSM马达的控制(2)使马达运行在纯传感器模式，且使能观测器：选择OBSERVER_GAIN_TUNING：电流和速度环仍使用由传感器反馈的转子位置角信号，但此时观测器同时运行；使用DAC功能实时地调节观测器及PLL增益参数（K1，K2，F1，F2，PLL_KP_GAIN，PLL_KI_GAIN）：观测器增益参数对反电动势观测起作用，而PLL增益参数(一般其缺省值就满足要求了)对位置角重构起作用；一旦这6个参数确定，把它们写入头文件MC_State_Observer_pa