利用一个ARM7处理惩罚器对无刷电机实行磁场定向控制

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      电机驱动能效不论进步多少，都市节流大量的电能，这便是市场对先辈的电机控制算法的兴趣日浓的部分缘故起因。三相无刷电机重要指是交换感到异步电机和永磁同步电机。这些电机以能效高、可靠性高、维护本钱低、产品本钱低和静音事变而着称。感到电机已在水泵或电扇等产业应用中得到遍及应用，并正在与永磁同步电机一起弥漫家电、空调、汽车或伺服驱动器等市场。推动三相无刷电机生长的重要缘故起因有：电子元器件的代价低落，实现巨大的控制战略以降服本身较差的动态性能成为大概。

　　以异步电机为例。大略的计划必要给定子施加三个120°相移的正弦波电压，这些绕组的分列方法可以或许孕育产生一种旋转磁通量。利用变压器效应，这个磁通量在转子笼内感到出一股电流，然后孕育产生转子磁通量。便是这两种磁通量相互作用孕育产生电磁力矩，使电机旋转。

　　在转子上感到出电流的条件是，确保转子的转速与定子的磁通量频率差别；要是雷同，转子只经历一个恒定的磁通量，不会有感到电流孕育产生（楞次定律）。通电频率和其孕育产生的机器频率之间的微小差别是异步电机定名的缘故起因。一个三相交换电机实现转速可调操纵的最大略方法是，实现一个所谓的电压/频率控制（大概叫做标量控制），其事变原理

是在频率与电机通电电压之间保持恒比。这种要领孕育产生一个恒定的定子磁通量，然后在转子主轴上得到额定的电机力矩。对付应用负载特性被大家相识的低本钱驱动器，以及控制带宽请求不是很高的驱动器，如数量很少的HP泵和电扇、洗衣机等，这是一个很受欢迎的控制要领。一个MIPS不是很高并带有公道的外设接口的8位单片机如ST7MC，即可餍足这种应用需求，同时编程也很大略。

　　这种要领无法在刹时事变进程中包管最佳的电机特性（力矩、能效）。并且为防备电机出现临时消磁征象，还必须限定驱动器反作用力的时间。为了降服这些限定条件，思量到电机的动态特性，市场上出现了其他的控制战略。磁场定向控制（也称矢量控制）是应用最遍及的控制算法，目标应用包括带式传输机、大功率水泵、汽车废气排放、工厂主动化。这种要领容许用两个去耦的控制变量（下文简称Id和Iq）控制一个交换电机，就像控制退出励磁的直流电机一样。励磁电流Id孕育产生直流主磁通量，而Iq则控制力矩，成果与直流电机中的电枢电流一样。当负载产生变革时，磁场定向控制可以或许对转速举行正确的控制，相应速率非常快，乃至在刹时操纵进程中，通过使定子和转子的磁通量保持正交，可以优化电性能效。这种要领可实现位置控制方案（通过刹时力矩控制），在低速运转时开释电机的全部力矩。

　　下面扼要先容一下磁场定向控制的事变原理。把参考坐标系从牢固的定子线圈换到活动的转子磁通量坐标系，采取两个闻名的更改运算规矩：Clarke更改和Park更改。Clarke更改是将120°相移三轴坐标系(Ia, Ib, Ic)转换成两轴直角坐标系(Ia, Ib)；Park更改是将牢固的 (Ia, Ib)坐标体系转换成与转子相干的两轴旋转坐标系(Id, Iq)。末了这两个数值是直流大概变革迟钝的数值，采取大略的PI控制器要领可以调解这两个数值。末了，利用逆更改(Park和Clarke逆更改)将其恢复到牢固的AC三相坐标系，如图1所示。

图1 磁场定向控制的事变原理

　　在种种矢量控制要领中，我们采取一个间接磁场定向控制要领，唯一丈量和处理惩罚的电机模型参数是转子时间常数Lr/Rr（在转差估算器模块内）。要是电机是一个永磁同步电机，布局框图和相应的成果将会非常相似，不再必要转差估算器，磁通量下令可以设置为零(磁铁本身孕育产生磁通量)。算法只是这项事变的一部分：只要谋略出电压电平，就必须将其转换成伏特和安培。像在任意一个当代功率电子系同一样，这个电机控制体系由肌肉（功率转换器）和大脑（单片机）构成。驱动功率转换器（俗称逆变器）是由三个PWM输出驱动。从图2中不丢脸出，一个功率强大的三路缓冲器将一个0-5V的逻辑信号，变化成一个0-300V的方波信号，施加到电机端子上。电机的绕组电感起到一个低通滤波器的作用：去除载波频率，腻滑电流变革，形成一个正弦电流波形，即PWM调制的波形。

图2 电机控制体系

　　让我们从CPU开始逐个查察一个先辈的电机驱动器体系的团体需求。整个矢量控制算法必须连续重复谋略，谋略速率在1~10 kHz之间（1ms不停到100μs闭环时间，视终极应用的带宽而定）。体系必要大量的数学谋略（三角函数、PID调解器、及时磁通量和基于电机参数的力矩估算）。别的，必须给应用的别的部分（通讯、用户界面等）的谋略留有余地。为了不限定动态性能，重要控制变量必要最低16位的精度，中间结果必要32位谋略本领。

全部这些因素阐明白矢量控制必须利用高速、高性能处理惩罚器的缘故起因。市场现有产品包括16位或32位单片机、殽杂控制器或数字信号处理惩罚器，这些产品通常与先辈的电机控制直接相干，要是你不是刻意寻求速率最快的数字电流控制回路或最正确的曲线控制，一个基于ARM7处理惩罚器的办理方案恰好餍足磁通量定向控制的请求。除内核的性能外，若想最大限度淘汰外部组件，还需配备公道的外设接口。如许计划可大大简化计划进程，确保本钱效益和可靠性（由于PCB计划被简化）。

　　在信号天生方面，通用PWM通道是不得当的，必须利用电机控制专用PWM信号，因此必须采取三对同步互补PWM通道，含有去世区时间插入成果，以防备半桥大概产生短路妨碍。为寂静起见，当功率级出现妨碍/错误（过流、高温）时，必须同时封闭这6路PWM通道。寂静成果还配备一个专用的告急妨碍输入。定时器的时钟频率（典范值>50MHz）和PWM载波频率的三角波形才是确保正弦波形的高精度和最佳的噪声-开关斲丧比的两个因素，而非锯齿波形。

　　模仿信号征求是MCU的另一个重要负荷，电机监控必须控制两类信号：迟钝变革的信号如DC总线电压（含有100Hz波纹电压因素）或电位器电压；高动态的频率范畴几赫兹到数百赫兹的电机电流，此中含有PWM速率（典范值高于10 kHz）的波纹电流。因此，模数转换器的速率必须很快（低于5μs），以便在对电机相位

举行次序采样时，淘汰对不安稳电流的丈量，节流为等待模数转换结果而在PWM停止办事步伐上斲丧的时间。在转换器精度方面，10位正在成为转换器的标准。固然8位转换器对大多数应用已经够用，但是电流范畴扩大的应用必要10位以上的模数转换器，以便在种种负载条件下包管富裕的辨别率。别的，控制精度与模数转换器的质量有直接的干系。

　　末了，我们还必须处理惩罚转速和/或位置传感器。递增编码器位置传感器必要专用的信号调理成果，作为一个具有加减计数成果的外部时钟，来处理惩罚两个正交信号输出。处理惩罚这个成果的是一个含有专用编码器模式的定时器。

　　我们在STR730单片机上告成地实现了一个带传感器的磁场定向控制（基于转速天生器）算法，该单片机基于ARM7TDMI处理惩罚器，事变频率32MHz，内嵌闪存。这个算法完全采取C语言开辟，没有举行任意刻意的代码优化。在实际算法中，完成整个控制回路用时55μs，在3kHz采样速率下CPU负荷17％。当内核运行在60MHz时，预计实行时间低于20μs。

　　采取ARM7处理惩罚器实现的算法具有很多好处。起首，ARM现已成为标准内核，其平台要领和大量的开辟东西是节流本钱的关键地点；其次，倘若下一代产品计划必要更高处理惩罚速率（MIPS），你可以直接升级到基于ARM9的产品。从架构的角度看，桶形移位器很风趣，它容许在整个处理惩罚流程中优化变量辨别率。你可以在一个时钟周期内变化格局以到达限定处理惩罚时间的目标，别的，它容许利用常数节流某些乘法运算，比方r0=(r1<<4) - r1相称于r0=15xr1，乃至速率更快。低本钱的DSP有16位固点内核。当必须处理惩罚PI调解器的得分项或扩展所需的精度范畴时，ARM7的32位数据通道可以或许克制多个16位负载。当举行电机控制信号处理惩罚时，DSP的其他紧张成果没有太大的用途，比方，硬件闭环和双寻址模式。这些在某种程度上阐明白人们为什么把ARM7处理惩罚器喻成云云优化的架构。

　　图3所示是一个新的STR7产品，为ST的基于ARM7处理惩罚器的产品线开辟，可以或许餍足前文概述的体系需求。重要特性包括：

　　SPTimer同步PWM定时器，实行高端PWM信号生告成能，基于16位定时器，时间辨别率可降至16.6ns，实现最佳的电压重修；

　　可以或许孕育产生居中或边沿对齐的PWM图形；

　　逆变器妨碍处理惩罚所需的内部可编程去世区时间信号天生器和告急妨碍掩护成果；

　　为简化软件处理惩罚任务，采取多此停止源、一个可编程重载速率和“克制吸烟”掩护，以防备软件由于失控而修改体系紧张外设的配置寄存器。

图3 新的STR7产品

　　这个SPTimer还可作为通用定时器，带有两个输入捕获引脚、两个输出比较引脚，以及可最大限度低落软件开销的编码器专用模式。该模式具有x2或x4辨别率、方向主动办理，可以给所选编码器的线数编程，因此可从计数寄存器直接读取转子角位信号。针对电流丈量成果，新产品内置一个具有主动扫描成果的3μs 10位模数转换器。重要外设接口包括多个定时器、通讯接口等。思量到单片机处理惩罚的非电机控制性任务，我们在电路板上计划了智能外设，像连接端子、功率因数校正、耗能制动等。

　　意法半导领会合尽力开辟电机控制市场，是天下仅有的几家有本领提供完备的电机控制产品组合的提供商之一，产品范畴从快速二极管到处理惩罚器，包括高压栅驱动器和开关。为餍足越发节能的“绿色” 电机和高性能驱动器的需求，我们打造了一个以ARM为内核的完备产品线，资助计划职员揭开向量控制算法的秘密面纱。这种控制要领很快就会把本日的主流的DSP式控制淘汰出局。推广应用一个新的控制要领：既然利用以ARM为内核的标准单片机就能餍足先辈的电机控制需求，有谁还肯再耗费时间在专有的架构上实现先辈的电机控制呢？