基于Cortex-M3 內(nèi)核的STM32系列微控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。變頻器集成了高壓大功率晶體管技術(shù)和電子控制技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。變頻器的作用是改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，用變頻器+交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組合替代了大部分原先只能用直流電機(jī)完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到新階段。本文將探討基于ARM的標(biāo)準(zhǔn)微控制器如何在一個(gè)被DSP和FPGA長(zhǎng)期壟斷的市場(chǎng)上打破復(fù)雜的控制模式，我們將以意法半導(dǎo)體的基于Cortex-M3 內(nèi)核的STM32系列微控制器為例論述這個(gè)過(guò)程。

很多應(yīng)用都會(huì)用到功率低于300 W的小型電機(jī)，例如汽車、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、紙張?zhí)幚頇C(jī)、工廠自動(dòng)化、太空和軍事載具、測(cè)試設(shè)備和機(jī)械人。整體而言，電機(jī)的產(chǎn)量約和其功率大小成反比，這表示小型電機(jī)的產(chǎn)量遠(yuǎn)超過(guò)大型電機(jī)。應(yīng)用最廣泛的小型電機(jī)包括直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)通常則采用連續(xù)移動(dòng)的模擬控制方式。由于步進(jìn)電機(jī)采用步階移動(dòng)，所以特別適合盡對(duì)尋址應(yīng)用，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)已能提供每一步1.8°或0.9°的精確移動(dòng)能力。步進(jìn)電機(jī)采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置 （step position）；相形之下，直流電機(jī)則是以電機(jī)電壓做為控制變量，以位置或速度做為命令變量。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多半則是以「開環(huán)」方式進(jìn)行操縱。

直流電機(jī)是最常見(jiàn)和本錢最低的小型電機(jī)，并且廣泛用于各種應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)宣稱能提供更高可靠性以及更低噪聲和本錢，然而到目前為止，它卻只能在磁盤或計(jì)算機(jī)風(fēng)扇等少數(shù)目產(chǎn)應(yīng)用中取代傳統(tǒng)直流電機(jī)。在某些應(yīng)用里，無(wú)刷直流電機(jī)有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)勝過(guò)傳統(tǒng)電刷電機(jī)，例如它以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長(zhǎng)電機(jī)壽命和減少維護(hù)本錢，而且也沒(méi)有電刷產(chǎn)生的噪音。直流電機(jī)的特性使它成為調(diào)速系統(tǒng)最輕易使用的電機(jī)。（

勵(lì)磁電流與直流的主磁通量（在一個(gè)PMSM電機(jī)內(nèi)的磁體磁通量）有關(guān) ,而 90°移相電流可以控制轉(zhuǎn)矩，功能相當(dāng)于直流電機(jī)的電樞電流。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，磁場(chǎng)定向控制方式可實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)速控制，而且響應(yīng)速度快，使定子磁通量和轉(zhuǎn)子磁通量保持完美的90度相位差，即便在瞬變工作環(huán)境內(nèi)，仍然能夠保證優(yōu)化的能效，這是實(shí)現(xiàn)以電機(jī)拓?fù)錇闃?biāo)志的更復(fù)雜的控制方法所依據(jù)的基本理論框架，特別是對(duì)于PMSM電機(jī)，這個(gè)理論是無(wú)傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)，既可以大幅降低成本（不再需要轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角傳感器和相關(guān)的連線），同時(shí)還能提高電機(jī)可靠性。在這種情況下，必須只使用電機(jī)數(shù)學(xué)模型、電流值和電壓值，通過(guò)計(jì)算方法估算轉(zhuǎn)子角度位置。在最低分鐘轉(zhuǎn)數(shù)只有幾百轉(zhuǎn)的情況下，這種狀態(tài)觀測(cè)器理論（在其它控制方法中）可以實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的轉(zhuǎn)速控制，在某些情況下，最低分鐘轉(zhuǎn)數(shù)是靜止?fàn)顟B(tài)。

不過(guò)，這對(duì)CPU是一個(gè)額外的實(shí)時(shí)負(fù)荷。最后，微控制器必須以1KHz到20KHz的速率連續(xù)重新計(jì)算矢量控制算法，具體速率取決于最終應(yīng)用帶寬，處理Parke和Clarke轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)多個(gè)PID控制器和軟件鎖相環(huán)確實(shí)需要高強(qiáng)度的數(shù)字計(jì)算，這就是過(guò)去為什么數(shù)字信號(hào)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?？刂破骱偷投硕c(diǎn)DSP架構(gòu)已經(jīng)問(wèn)世，但是意法半導(dǎo)體仍然選擇使用Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)STM32微控制器。這個(gè)解決方案可很好地滿足大量的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求，從一次性工程費(fèi)用的角度看，該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM?內(nèi)核和標(biāo)準(zhǔn)微控制器的成本效益。

基于Harvard架構(gòu)，這個(gè)32位RISC采用Thumb2指令集，提供16位和32位指令。對(duì)比純32位代碼，這個(gè)指令集能夠大幅提高代碼密度，同時(shí)保留原有ARM7指令集的多數(shù)優(yōu)點(diǎn)（附加優(yōu)化的乘加運(yùn)算和硬件除法指令）。

電機(jī)控制系統(tǒng)要求微控制器須具備卓越的實(shí)時(shí)響應(yīng)性（中斷延時(shí)短）、純處理功能（如單周期乘法）以及優(yōu)異的控制性能（當(dāng)處理非序列執(zhí)行流和條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)）。Cortex-M3能夠滿足所有這些要求。例如，當(dāng)時(shí)鐘頻率是72MHz時(shí)，在25μs內(nèi)對(duì)一個(gè)永磁電機(jī)完成一次無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制，這相當(dāng)于在10 kHz采樣率下25% 的CPU負(fù)荷。

意法半導(dǎo)體擴(kuò)大32位STM32微控制器（MCU）支持的電機(jī)矢量控制函數(shù)庫(kù)，新增了支持單旁路無(wú)傳感器控制、內(nèi)部永磁（IPM）電機(jī)控制和永磁同步（PMSM）電機(jī)弱磁控制的算法。目前市場(chǎng)上大約已有40種電機(jī)控制應(yīng)用采用了意法半導(dǎo)體的基于Cortex-M3的STM32微控制器。 在設(shè)計(jì)人員目前可以獲得的新算法中，單旁路電流感應(yīng)支持功能只需要一個(gè)電流感應(yīng)電阻器，比需要三個(gè)電阻器的普通無(wú)傳感器控制機(jī)制更加節(jié)省系統(tǒng)成本。單旁路電流感應(yīng)是意法半導(dǎo)體開發(fā)的一項(xiàng)專利技術(shù)，具有直流總線電壓利用率高、電流失真小和可聽(tīng)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)增加一個(gè)"最大化轉(zhuǎn)矩電流比"（MTPA）控制算法，擴(kuò)大的函數(shù)庫(kù)給設(shè)計(jì)人員提供了更大的自由設(shè)計(jì)空間，使他們能夠靈活地定義無(wú)刷IPM電機(jī)的電氣參數(shù)，滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)電機(jī)的高功率密度和高速性能的需求?；谶@些新的算法，開發(fā)人員可以充分利用STM32豐富的電機(jī)控制外設(shè)，包括STM32集成的兩個(gè)三相PWM定時(shí)器，使一個(gè)微控制器可以同時(shí)控制兩個(gè)無(wú)刷電機(jī)。通過(guò)打破一個(gè)微控制器控制一個(gè)電機(jī)的規(guī)則，設(shè)計(jì)人員使用STM32可以節(jié)省成本，降低設(shè)計(jì)尺寸和功耗，而且不會(huì)對(duì)性能有任何影響。微控制器集成的三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠支持高精度電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用的三路采樣保持電流捕獲。因?yàn)镾TM32采用先進(jìn)的ARMCortex-M3CPU工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，用戶在STM32上開發(fā)電機(jī)控制解決方案要比使用企業(yè)專有架構(gòu)更節(jié)省時(shí)間。

即使最復(fù)雜的算法幾乎也無(wú)法修正不精確的模擬測(cè)量值，但是，在某種程度上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)采樣率為1MSps的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在整個(gè)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(gè)主要功能：首先，使CPU擺脫簡(jiǎn)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(qǐng)求、DMA請(qǐng)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(duì)無(wú)刷電機(jī)控制有用的功能中，我們首先考慮通道讀序列發(fā)生器。對(duì)比傳統(tǒng)的掃描電路（按照模擬輸入序號(hào)，按序轉(zhuǎn)換一定數(shù)量的通道）， 在一個(gè)16個(gè)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(dāng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，這個(gè)功能給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更高的設(shè)計(jì)靈活性，為實(shí)現(xiàn)平均轉(zhuǎn)換目的，準(zhǔn)許對(duì)同一通道進(jìn)行多次采樣（在一個(gè)序列內(nèi)），當(dāng)整個(gè)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(gè)中斷請(qǐng)求。

在檢測(cè)電機(jī)相位電流的過(guò)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(dá)到幾百個(gè)V/μs）是引起讀取誤差的一個(gè)重要原因，可能導(dǎo)致測(cè)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(jí)的定時(shí)器同步：因?yàn)閾Q向時(shí)刻可以預(yù)定（由3 PWM定時(shí)器的比較寄存器定義），所以可以使用一個(gè)額外比較通道在換向時(shí)刻稍前或稍后觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作?；谶@個(gè)原因，STM32啟用了第二個(gè)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(jí)高于正常序列發(fā)生器，可以用一個(gè)不能延遲的新轉(zhuǎn)換操作使當(dāng)前的轉(zhuǎn)換操作中斷。通常情況下，正常序列發(fā)生器負(fù)責(zé)"內(nèi)部管理"轉(zhuǎn)換，連續(xù)檢測(cè)溫度或直流總線電壓（作為后臺(tái)任務(wù)），然后通過(guò)DMA通道發(fā)送到RAM,而注入序列發(fā)生器則將處理時(shí)間關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換操作，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器（將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，但是不能接受延時(shí)）。

對(duì)于一個(gè)能夠執(zhí)行先進(jìn)的電機(jī)控制功能的通用微控制器，擁有微控制器是一回事，而開發(fā)輕松入門卻是另一回事。利用軟硬件工具可以把這個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面都處理好。首先是擁有一套電機(jī)控制開發(fā)入門工具，包含測(cè)試工具（JTAG探針和光隔離器）、 微控制器芯片以及功率級(jí)電路板和演示用PMSM電機(jī)，這套工具用于產(chǎn)品性能評(píng)估和開發(fā)用途。模塊化設(shè)計(jì)有助于升級(jí)演示應(yīng)用（例如雙電機(jī)控制微控制器電路板），評(píng)估多個(gè)（或定制）功率級(jí)。最后，意法半導(dǎo)體為STM32客戶免費(fèi)提供電機(jī)控制軟件庫(kù)。2.0版電機(jī)控制軟件庫(kù)利用頭文件內(nèi)的一個(gè)簡(jiǎn)單且低廉的 #define聲明列表支持各種配置。

軟件庫(kù)包含交流感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制算法，為簡(jiǎn)化代碼的可讀性和可維護(hù)性，這些算法采用C編程語(yǔ)言，再次證明了現(xiàn)代編譯器的效率。該軟件庫(kù)還針對(duì)PMSM電機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)健的無(wú)傳感器控制算法（基于磁通觀測(cè)器），以及一個(gè)超高速內(nèi)部永磁電機(jī) （IPM）專用控制算法。當(dāng)然，該軟件還支持普通轉(zhuǎn)速和位置傳感器（增量編碼器、霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器）。通過(guò)使用隔離傳感器或分流器，STM32支持三種電流檢測(cè)方法。STM32外設(shè)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)新的單電流檢測(cè)方法，利用成本最低的配置（一個(gè)簡(jiǎn)單的獨(dú)特的電阻器）執(zhí)行矢量控制。因?yàn)槟軌蜃畲笙薅冉档捅菊麟娏魇д媛?，這項(xiàng)技術(shù)已取得專利權(quán)。

意法半導(dǎo)體目前的主要開發(fā)項(xiàng)目是控制電機(jī)直到靜止?fàn)顟B(tài)的無(wú)傳感器永磁電機(jī)控制和內(nèi)置功率因數(shù)校正功能的雙電機(jī)控制。最近，意法半導(dǎo)體成功演示了單電流檢測(cè)方法，僅一個(gè)STM32微控制器就能執(zhí)行兩個(gè)單電流檢測(cè)矢量控制功能，同時(shí)還用一個(gè)40 kHz的控制回路管理PFC級(jí)。

從功率開關(guān)分立器件，到復(fù)雜的系統(tǒng)芯片，意法半導(dǎo)體承諾以其獨(dú)有的產(chǎn)品組合長(zhǎng)期支持電機(jī)控制市場(chǎng)。STM32微控制器產(chǎn)品線將繼續(xù)沿四個(gè)新方向部署，其中兩個(gè)方向適用于電機(jī)控制。第一個(gè)產(chǎn)品線將面向低成本市場(chǎng)，開發(fā)低端的16位電機(jī)控制微控制器。另一個(gè)產(chǎn)品線以高性能為訴求，面向需要更高處理性能、更大存儲(chǔ)容量和高帶寬接口的應(yīng)用。如此寬廣的產(chǎn)品組合結(jié)合Cortex-M3內(nèi)核，勢(shì)必確立STM32架構(gòu)適用于現(xiàn)在和未來(lái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多功能性。
責(zé)任編輯：彭菁