基于STM32的电机驱动系统的设计
专业：机电工程系
班级：
姓名： 徐斐斐
目 录
引 言 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。 1 绪论 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1 课题研究的背景和意义 ................................................................ 错误！未定义书签。
1.2 视频处理器的发展前景 ................................................................ 错误！未定义书签。
1.3 论文主要工作概述 ................................... 错误！未定义书签。
1.4 论文的组织结构 ..................................... 错误！未定义书签。 2 基于STM32的电机驱动系统总体设计 ................................... 错误！未定义书签。
2.1 设计需求 ......................................................................................... 错误！未定义书签。
2.2 方案选择 ......................................................................................... 错误！未定义书签。
2.3 主处理器的选择(STM32F103) ........................................................ 错误！未定义书签。
2.4 系统编程软件功能介绍（Keil） .................................................. 错误！未定义书签。
2.5 小结 ................................................................................................. 错误！未定义书签。 3 系统硬件电路设计 ........................................................................... 错误！未定义书签。
3.1 STM32F103功能介绍 .................................. 错误！未定义书签。
3.2.1 STM32F103的特点及功能描述 .................... 错误！未定义书签。
3.2.2 STM32F103的。。。。。。 ...................... 错误！未定义书签。
3.2.3 STM32F103的。。。。。。 ...................... 错误！未定义书签。
3.2.4 STM32F103的。。。。。。 ...................... 错误！未定义书签。 。。。。。。 STM32F103的。。。。。。 ............... 错误！未定义书签。
3.2 STM32F103电源电路设计 .............................. 错误！未定义书签。
3.3 STM32F103时钟电路设计 .............................. 错误！未定义书签。
3.5 STM32F103 LED数码管驱动电路设计 .................... 错误！未定义书签。
3.5 电机驱动电路设计（ULN2003） ........................ 错误！未定义书签。
3.6 本章小结 ........................................... 错误！未定义书签。 4 系统开发软件及设备驱动程序设计 .......................................... 错误！未定义书签。
4.1 Keil概述 ........................................... 错误！未定义书签。
4.2 动态LED数码管驱程序设计 ........................... 错误！未定义书签。
4.3 电机驱动程序设计 ................................... 错误！未定义书签。
4.4本章小结 ............................................ 错误！未定义书签。
5 硬件电路调试实验与整体运行调试 .......................................... 错误！未定义书签。
5.1 各个子系统调试 ..................................... 错误！未定义书签。
5.1.1 电源调试 ..................................... 错误！未定义书签。
5.1.2 时钟调试 ..................................... 错误！未定义书签。
5.1.3 LED数码管驱动调试 ........................... 错误！未定义书签。
5.1.4 电机驱动模块调试 ............................. 错误！未定义书签。
5.2系统联调 ............................................ 错误！未定义书签。
5.3 本章小结 ........................................... 错误！未定义书签。 结 论 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 附录 源程序 ............................................................................................. 错误！未定义书签。
注意：目录中的页码是随着你写的内容而不同的，总页数在60也左右，给我留出删除的空间，我修改后，最终页数应大于50页。
摘要
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。
纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32F103无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32F103以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32F103的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道Cortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”
本文分别介绍了永磁同步电机矢量控制系统的硬件和软件设计。详细的介绍了以STM32为控制核心的控制电路，主回路由脉宽调制逆变器、永磁同步电动机、电流检测电路、速度检测电路组成的永磁同步电机调速控制系统的硬件电路。细致地蟾酥了稳重的软件设计思路，包括系统的主程序、中断控制程序以及各项子程序的软件设计。通过对仿真结果的分析，验证所采用
的控制算法的可行性和正确性。
关键字：永磁同步电动机，矢量控制，ARM，正弦脉冲宽度调制
Abstract
In recent years, with microelectronics technology, power electronic
technology, modern control technology, material technology rapid development and motor manufacturing process of gradually raise the level, and exchange the permanent magnet synchronous motor with its small size, simple structure and so on characteristics of industry and agriculture, in daily life and many high-tech
quickly in a wide range of applications. Therefore, the design of high performance, high precision of permanent magnet synchronous motor become modern electric servo drive system of a development trend.
Throughout MCU market, at present the most mainstream architecture means can be divided into two classes, independent intellectual property rights structure and based on the ARM architecture MCU. The former mainly include Intel's X86 architecture, freescale's Power PC, the MicroChip PIC series, Atmel AVR series of, the latter by numerous based on the development of the ARM architecture of
manufacturers, including ST, NXP, NEC and acquired Luminary of TI, etc. Based on the ARM architecture development in many of the product in the center, STM32F103 undoubtedly is one of the most successful one of the products.
Stmicroelectronics MCU marketing manager ZhangJunHui congress introduced in midfield, said in the Google and Baidu search engines such as check to
STM32F103 and Cortex M3 for keywords search times and it was easy to find,
STM32F103 based on the direct search volume than Cortex M3 many times higher. "A lot of people probably don't know Cortex M3, but heard STM32. Now STM32 has become one of the best Cortex M3 card."
This paper introduces the permanent magnet synchronous motor vector
control system hardware and software design. Detailed introduces the STM32 as control core control circuit, the main loop by pulse width modulation inverter, permanent magnet synchronous motor, electric current detection circuit, speed detection circuit composed of permanent magnet synchronous motor speed control system hardware circuit. Detailed the sedate software design of toads
ideas, including the system of the main program, interrupt control procedures and the procedure of the software design. Through the analysis of simulation results, confirmation USES the correctness and feasibility of the control algorithm.
Key word: permanent magnet synchronous motor;vector control; ARM; sine pulse width modulation
引言
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。
伺服驱动器按照功能特征可分为功率板和控制板两个独立的模块，本文在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性能，为此，论文采用意法半导体推出的STM32作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz。强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。功率驱动单元应用了IPM(智能功率模块)，与以往的IGBT相比较，IPM FSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。
而在MCU市场，这项包含技术难点最多也拥有最广泛市场潜力的技术产物从一开始就注定了将会面临比其他技术更强有力的争夺与冲击。纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，
MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。
在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在
Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道Cortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”
但是就是这张Cortex M3最好的名片在新一轮市场争夺战中也面临着拓展的问题。怎样更好的符合消费者使用习惯？哪些领域会成为下一个新的市场热点？除了强调功耗的Energy Lite,强调性能的Performance Line，强调应用的Access Line,STM32未来还将有哪些产品链路？
依据永磁同步电动机在dq旋转坐标系下的数学模型，在
MATLAB/Simulink仿真工具下建立了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型。仿真模型是基于三角波比较跟踪的电流滞环控制方式，产生PWM信号控制逆变器。通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。
1 绪论
1.1 课题的研究背景
电机是一种能够进行机电能量装换的机械设备，它有效地将电能转换成机械能，使得电机可以实现各种运作。因而被广泛地应用于工农业生产、国防工业及社会生活等各个领域。按照电机类型的不同划分电机控制类型，电机调速控制可分为直流调速和交流调速两类。
直流调速即是对直流电动机的调速控制。众所周知，因为直流电动机中产生转矩的两个要素励磁磁通和电枢电流相互间没有耦合的关系，所以直流电机可通过控制相应电流从而就可非常容易的实现电机转速的控制和调节。因此直流电动机调速时易获得良好的静态和动态调速特性。在变速转动领域中，直流电动机调速长期以来都是占据着主导地位。然而由于直流电机本身结构机械换向器和电刷存在重大的缺陷，致使直流电机调速系统的应用推广受到了限制。
交流调速则是对交流电动机的速度控制。由于交流电机结构简单、坚固耐用、运行可靠，特别是它克服了直流电机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在工农业生产中得到了极为广泛地推广。但是，由于长期以来受到实现技术的制约，交流电机作为调速电机的应用受到了很大的限制。不过，科学技术的迅猛发展为交流调速的发展创造了有利的技术条件和物质基础。交流电动机可通过采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念来实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，这就实现了将交流电机的控制过程等效为直流电机的控制过程，使得交流调速系统的动态性能得到了显著地改善和提高。
转子采用永磁材料的永磁同步电机，控制系统相对于异步电机而言比较简单，容易实现高性能的控制。稀土永磁电机因而具有结构简单；运行可靠；效率高等显著有点，因而广泛应用于工农业生产、航天航空和日常生活等各个领域。近年来在永磁材料的生产方面出现了突破性的进展，高性能永磁同步电动机的研制也随之有了长足的发展。永磁电机的发展史与永磁材料的发展密切相关的。
永磁电机的研究和开发大致分成三个阶段[4]0
(1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁材料价格昂贵，研究开发重 点是航空、航天使用电机和要求高性能的高科技领域。
(2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钦铁硼永磁材料后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，不仅使得许多传统的励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。
(3)进入90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高，特别是钦铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低以及电力电子技术的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，使得永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得广泛的应用外，也使稀土永磁电机的研究开发进入新阶段。一方面，稀土永磁电机的开发向大功率化、高功能化和微型化方向发展;另一方面，永磁电机的结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了一整套的研究方法。
随着永磁同步电机在各个领域的广泛应用，对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，既希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能，又希望控制系统的成本尽可能得低。鉴于此，国内外许多的专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略，部分已获得了很好的实际效果
1.2 视频处理器的发展前景
现代交流调速系统由交流电机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。其中，电力电子功率变换器与控制器及检测器合起来称之为变频调速装置。
按照交流电机的分类，交流调速系统可划分为以下两类:异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。同步电动机转速公式。= 60 f, /n p(其中f,为定子供电频率，n，为电动机极对数)可知，同步电动机是靠变频调速的。在调速系统中采用同步电动机有以下优点:
(1)同步电动机的转速与电源的基波频率保持着严格的同步关系，只要精确地控制变频电源的频率就能准确地控制电机速度;
(2)同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有较强的承受能力，能做出较J决反应;
(3)同步电机的调速范围比异步电机宽;
(4)同步电动机能够利用电动机的反电动势实现负载换流。
因为同步电动机拥有出众的优点，所以同步电动机调速系统越来越受世人的关注。根据频率控制方式的不同，又可将同步电机调速控制系统分为两类，即他控式变频调速和自控式变频调速。
他控式变频调速:用独立的变频装置做永磁同步电动机的变频电源，电动
机的转速严格跟随电源频率的变化而变化。他控式变频调速常用于开环控制系统。自控式变频调速:采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，从而使得同步电动机可以工作在自同步状态[[7l。自控式同步电动机变频调速与他控式变频调速相比最大的不同就是能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。这得益于控制方式本身，因为转子位置检测器控制为同步电动机定子供电的变频装置的输出频率，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相
等，始终保持同步，因此不会因负载冲击等原因造成失步现象[[810
自控式变频同步电动机调速系统可分为两类:一类是大、中容量的调速系统，一般采用普通的电励磁结构，通过电刷和滑环引入励磁电流。另一类是小型调速系统，多采用结构更为简单的磁阻式或永磁式同步电动机[[910
永磁同步电动机控制方法的研究开始于八十年代，由于其与直流电动机相比具有多变量、非线性和强祸合的特性，常用的调速方法不再适用于永磁同步电动机调速控制系统，需采用新的控制算法。国内外的专家学者开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点:第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升;第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降;第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点E"]. 1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、
动态特性。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性【川。
由于电子电力科学技术的限制，同步电机的调速技术也受到了相应地制约。然而，随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法〔12-13]。随着电力电子技术的飞速发展，各种容量和形式的变频电源、逆变装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，因而对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，即希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能。
鉴于此，许多国内外专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略如矢量控制、转矩直接控制等。这些新的控制方法进一步地改进了交流电机的控制性能，使得现代高性能的交流永磁调速系统的动态性能静态性能和动态性能得到了显著的改善，完全能够达到甚至是超过直流电机调速系统静态性能和动态性能的水平
1.3 论文主要工作概述
本课题是基于ARM Cortex-M3控制芯片对永磁同步电机调速控制系统进行
设计。在掌握调速控制系统工作原理和组成、永磁同步电动机动态数学模型等
基础上，设计一基于ARM Cortex-M3的永磁同步电动机调速控制系统。ARM Cortex-M3芯片可实现电机的矢量控制。为了验证此系统的设计方案的正确性
和
可行性，利用MATLAB仿真软件进行建模和仿真。论文的研究内容包括以下几
个方面:
(1)完成永磁同步电机调速控制系统总体方案的设计;
(2)完成永磁同步电机调速控制系统的硬件电路的设计;
(3)给出永磁同步电机调速控制系统的软件设计流程;
(4)利用MATLAB/Simulink仿真工具，实现永磁同步电动机矢量控制系统 的仿真。
1.4 论文的组织结构
论文的内容组织与章节安排如下:
第一章绪论:介绍了本文课题研究的背景，对同步电机调速系统的概况和永磁同步电机调速系统的发展状况分别进行简述，同时叙述了课题研究的意义和内容。
第二章永磁同步电机的矢量控制:本章节以正弦交流驱动的永磁同步电动机为研究对象，首先提出了矢量控制的基本原理。而后本章节又介绍了矢量坐武汉理工大学硕士学位论文标变换的基本规律，根据坐标变换提出dq坐标系下永磁同步电动机的数学模型，这里还包括电压回路方程、磁链方程以及转矩方程等。这些电磁间独特的关联，特别是定子电流和转子电流的相互作用而产生的磁通和转矩间的关系，为实现对永磁同步电动机系统的控制即实现在定向坐标系上各量的控制，提供了理论基础。文章最后画出了基于id = O矢量控制方式的永磁同步电动机调速系统的原理框图。
第三章矢量控制系统电流环和速度环的设计:本章对永磁同步电动机调速控制系统的电流环和速度环进行理论分析，为电流环、速度环建模提供理论依据。之后，计算电流环和速度环的传递函数值。
第四章基于ARM Cortex矢量控制系统的硬件设计:详细的阐述永磁同步电动机调速控制系统的硬件设计，分别介绍控制系统各个模块电路的工作原理和实现的功能。画出永磁同步电动机调速控制系统电路图，包括控制电路、电流检测电路、逆变电路等，详细说明各电路的组成情况和电路中使用到的元器件选择。
第五章永磁同步电机矢量控制系统的软件设计:基于硬件电路设计的基础上，详细叙述调速控制系统中各个模块的软件设计思路，并且在文中给出了软件设计流程图。
第六章永磁同步电机矢量控制系统的仿真:本章在MATLAB仿真工具中对系统的坐标变换模块、电流环控制模块和逆变模块进行模块化设计，而后将各个模块组合形成永磁同步电动机调速控制系统的整体，实现对整个系统的建模和仿真。最后分析得出的仿真结果。
第七章总结和展望:本章节对全文进行概括和总结。总结了永磁同步电动机调速控制系统的研究成果，并展望永磁同步电动机调速控制系统的研究前景。
2 基于STM32的电机驱动系统总体设计
2.1 设计需求
在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性
能，为此，采用意法半导体推出的STM32F103作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz。强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。功率驱动单元应用了IPM(智能功率模块)，与以往的IGBT相比较，IPM FSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。
2.2 方案选择
3 基于ARM Cortex矢量控制系统的硬件设计
3.1基于ARM Cortex矢量控制系统的设计方案
早期，调速控制系统的控制器多由模拟电子电路组成。但是，随着微机控制技术的发展，特别是以单片机、DSP和ARM为控制核心的微机控制技术的发展，使得调速控制系统走向数字控制。数字化使得控制器许多难以实现的复杂控制得以解决，如矢量控制中的坐标变换计算和解祸控制等等。
目前，市面上有很多专用电机控制的芯片可供选择。其中，美国TI公司设计推出的以TMS320C2000系列为内核的控制器将电机控制中常用的硬件电路固化在芯片中，且提供了众多的外设接口，可以说是具有强大的接口能力和嵌入功能。特别适用于有大批量数据处理的控制场合，如电机控制、伺服系统和工业自动化控制等等[22]。意法半导体公司推出的STM32系列微控制器是为满足价格敏感的家用电器和工业设备对微控制器的高性能和低能耗的要求而专门开发。STM32微控制器以性能强大的Cortex-M3为芯片内核。Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少，中断延迟小，调试容
易等特点。对于系统和软件开发，Cortex-M3处理器具有以下优势:小的处理器内核、系统和存储器，可降低器件成本;完整的电源管理;快速的中断处理，满足高速、临界的控制应用;增强的系统调试功能，可加快开发进程等等[[23-24] o STM32的内核和专用电机控制外设都有充足的处理能力来优化驱动器的性能，最小化系统总体成本。下面就针对上述两厂家的电机控制专用芯片做个比较。比较内容从内核性能和与运动控制相关的片内集成外设性能两个方面进行。
┌──────┬─────────┬──────┐
│性能参数 │STM32 │TMS320LF240 │
├──────┼─────────┼──────┤
│内核 │32位ARM cortex-M3 │16位C2000 │
├──────┼─────────┼──────┤
│工作电压范围│2.0-3.6V │3.0-3.6V │
├──────┼─────────┼──────┤
│最高工作频率│72MHz │40MHz │
├──────┼─────────┼──────┤
│最高运算速度│90MIPS │40MIPS │
├──────┼─────────┼──────┤
│体系结构 │哈佛结构 │哈佛结构 │
├──────┼─────────┼──────┤
│内部程序空间│128K字flash │32K字flash │
└──────┴─────────┴──────┘┌──────┬────────┬─────────┐
│内部数据空间│20K字SRAM │2.5K字RAM │
├──────┼────────┼─────────┤
│DMA │7通道 │无 │
├──────┼────────┼─────────┤
│PWM │1*6路16位 │2*6路16位 │
├──────┼────────┼─────────┤
│A/D │16通道12位lus, │16通道10位500ns, │
│ │采用范围:0-3.6位│ 采用范围:0-3.3V │
│输入捕获单元│4 │6 │
表3-1 STM32和TMS320LF240性能参数
由上表3-1可看出，由于内置了单周期的硬件乘法及除法单元，STM32可完成复杂的矩阵运算，轻松实现电机矢量控制;先进的PWM发生器及双采样12位AD转换器，可实现更精确地控制;DMA, USB等丰富的外设，方便对电机进行更周密的监控及大量数据传送;兼容5V电平、内置智能切换时钟电路、低电压监测电路、工业级温度范围可稳定运行于恶劣的工业领域以及汽车领域。
STM32微控制器内置有高级控制定时器( TIM I和TIM8 )、通用定时器(TIMx )以及基本定时器(TIM6和TIM7 )。高级控制定时器由一个16位的自动装载计数器组成，由一个可编程的预分频器驱动。它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获);产生输出波形(输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等);使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微妙到几个毫秒的调节;支持定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路。通用定时器也是由一个通过可编程预分频器启动的16位自动装载计数器构成。除了不能输出嵌入死区时间互补的PWM波形外，其他的功能和高级控制定时器没有太大的区别。基本定时器TIM6和TIM7各包含一个16位自动装载计数器，由各自的预分频器驱动。它们可以
作为通用定时器提供时间基准，特别地可以为数模转换器提供时钟[2a]0
STM32微控制器内的ADC是一个12位逐次逼近型模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。
在已设计的矢量控制系统原理图的基础上，本文设计的永磁同步电动机矢量调速控制系统硬件结构图如图4-1所示。永磁同步电动机矢量调速控制系统是由主回路和控制回路两部分组成。系统主回路采用交一直一交电压源型变频器的形式来给永磁同步电机供电，它是由整流滤波电路和逆变电路构成的。电路将输入的三相交流电通过整流滤波环节将之转换为直流电，逆变电路再将直流电变换为频率可调的三相交流电输出至永磁同步电动机，以实现电机调速控制的目的。控制回路采用了STM32F 103RC增强型控制器，工作频率是在72MHz,且其带有片内4GB的存储器空间和丰富的外设。STM32自带的固件库提供访问其外设所需的库函数。ARM Cortex-M3芯片需要完成以下功能:
(1)正弦波脉冲宽度调制控制算法:利用高级控制定时器TIM I实现脉冲宽度调制，控制逆变电路中的功率器件的导通和断开;
(2)电流采样计算:采集电机的三相定子电流瞬时值输入至控制芯片处理，将模拟电流转化为数字信号;
(3)坐标的矢量变换:三相定子坐标与旋转坐标之间坐标变换算法的实现;
(4)速度和电流调节器:实现速度环和电流环调节;
(5) IPM保护信号处理:IPM保护中断处理。:启动延时电路:
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图3-1基于ARM Cortex的永磁同步电机矢量控制系统结构图
3.2系统的主回路
永磁同步电动机矢量控制系统由主回路、脉宽调制逆变器、永磁同步电机、电流检测电路、速度检测电路组成。由图4-1可知，主回路由四个部分组成，从左至右分别是整流滤波电路、启动延时电路、能耗电路以及DC/AC逆变电路。
首先，整流电路采用三相不可控整流桥，将三相交流电转换为两相直流电压供给永磁同步电机。而在直流侧并联一电容是为滤除整流后直流电压中的谐波分量。为了达到保护整流桥的目的，需在电路中加入一启动延时电路。因为在主回路刚刚启动的一小段时间内，继电器是处于断开的状态而串联在主回路中的电阻R3则是导通的，这样的设计是为限制整流电路直流侧电容的充电电流。等到电容器充电完成后，继电器闭合，致使电阻R3短路。其次在电机制动时，电机处于发电状态，与其相连的直流侧电路中将产生大量的电能，导致该边路上的电容储能增加，相应地该侧直流电压也随之不断升高，最终会对逆变器的
安全构成威胁，因而需要在直流侧增加一消耗电能的回路。由图4-1可知，能耗电路是由电阻R1和开关管Tll两者组成。当直流侧电压超过设定值时，开关管导通，电阻R1与直流侧构成回路从而会消耗掉电路中额外的电能。除此之外，还可以看到在整流器的直流端并联着一发光二极管的回路。该二极管不仅可以表示主回路电源是否己接通，而且在电源被切断后可以指示滤波电容是否已完成放电过程。与发光二极管串联在一起的电阻R2是为了抑制过电
压、减少分支电流，保护逆变电路，保证主回路的正常且平稳运行。
逆变电路却是将二相直流电转换成三相变频交流电输入至电机，是主回路的重要组成部分。本文采用智能功率模块IPM作为逆变电路的主体。IPM是将电力电子器件与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化[[21]. IPM中的功率器件一般由功率器件IGBT充当。同时IPM内置有驱动和保护电路。驱动电路与功率器件更好地匹配，这使得功率器件工作更加可靠。IPM中的保护电路可以实现控制电压的欠压保护、过流保护、过热保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路的有动作，功率器件栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号。 在矢量调速系统中，采用脉冲宽度调制的逆变电路可降低电路中输出电压的谐波分量，使得电路的输出电压更加趋近于正弦波形。逆变电路里功率元器件的开关频率决定谐波分量，而功率器件的开关频率又受器件的开关时间所控制。在选择逆变电路的功率器件时，不仅要考虑到使逆变输出的电压更加趋近于正弦波形，而且要想方设法降低器件的开关损耗。逆变电路选择的计算如下:
功率器件峰值电压为:U-,=扼Ua=拒x 220 = 311(V)
功率器件电压额定为:U=1.5 x1.1xU,n -1.5 x1.1 x311=513.15(.V)
功率器件峰值电流为:I。一2扬，一2拒x 2.8一7.9(A)
功率器件电流定额为:I=1.5xl.lxlm =1.5.x1.1x7.9=13.035(A) 武汉理工大学硕士学位论文
计算公式中:数值1.1是电容滤波后的电感升高系数:数值1.5为安全裕量。 依据上述计算，本文采用三菱公司的智能功率模块PS21867，完全满足上
述要求。该智能功率模块集电极一发射极电压为600V，直流母线浪涌电压为500V，集电极电流为30A，集电极峰值电流为60A。智能功率模块PS21867采用低功耗的IGBT管;具有完整的功率输出电路，可直接连接负载;内置有栅极驱动电路和保护电路[X261 o IPM PS21867内部的功率器件是高电平触发有效。
应用智能功率模块的时候需考虑STM32芯片的驱动能力和信号的隔离。因为IPM已经自带有驱动电路，所以只需考虑控制信号的光电隔离问题。之所以要加入光电隔离，是为了防止将高压信号引入控制电路，避免逆变器对控制芯片的干扰。本设计中选择的驱动隔离光藕为HCPL4504，是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片。HCPL4504的响应时间小于0.3 ps，内部集成高灵敏度光传感器，极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关死区时间确保了安全[271。图4-2中，画出某一相上桥臂信号的PWM信号通过高速光藕HCPL4504输入至逆变模块IPM，其他各相上下桥臂信号的连接与此相类似。P是指三相的上桥臂，n是指三相的下桥臂。不过，各相所使用的控制电源不是同一个。上桥臂三相每相都是使用各自独立的电源，三个电源分别为V2+/V2G, V3+N3G, V4+N3G，而下桥臂三相共用同一组电压源V1+NlGo一路PWM信号输入
图3-2 IPM六路PWM信号输入连接图
逆变器IPM需要四组隔离的驱动电源，其中每相的上桥臂单独使用一组电
源，三相的下桥臂共用一组电压源。这么设计是为了消除IPM中功率器件相互
之间的电磁干扰。IPM的控制电压和驱动电压正常工作时的电压值范围在
13.5V-16.5V之间。若控制电压的供给低于规定值且时间超过设定值，则发生 欠压保护，就要封锁门极驱动电路，输出故障信号;若电压超过设定值，芯片武汉理工大学硕士学位论文可能会烧毁。若驱动电压低于设定最小值，那么IGBT不能够导通;若驱动电压超过设定最大值，保护电路的效果会不断减弱。假如驱动电压远超16.5V,那么功率器件IGBT会被击穿[ZS]。一般情况下，IPM的控制电源和驱动电源的值设为15V. JS158是专为使用IPM作为逆变装置设计的开关电源。具有独立8路输出，输入电压范围宽，保护全等优点，适合变频驱动器。8路输出管脚V1+/VlG, V2+/V2G, V3+/V3G, V4+/V3G提供四组15V电压信号，分别至IPM的驱动和控制电源接口的正负极。IPM的驱动电源接口分别是:Vufb/Vufs,Vvfb/Vvfs, Vwfb/Vwfs，控制电源接口Vpl/Vpc, VnINnco
由图4-3可知，栅极驱动与主电路相连，主电路中通常有很大的浪涌电压，会导致功率回路产生感应电压，使得原本已经截止的功率器件IGBT导通。因此，需要在直流母线间增加一吸收电容。
┌────┐
┌─┤Vp1 P │
┌───────────┐ │、│ Vufb │
│P V2+ ├─────┼─┤ Vufs │
│N V2G │1上 │、│Vpl u │
│ V3+ │丁下 │ │ Vvfb V│
│ V3G ├─────┼─┤ Vvfs w│
│ .75158. │ │ │ I尸人7│
│ V4十│ ├─┤Vp1 │
│ V4G │┌──┐ │. │ Vwfb │
│ V1+ ││n │ │、│ Vwfs │
│ V1G ││厂1 │ │、│ Vn1 N │
│ │└──┘ ├─┤ Vnc │
│ │ │. │·Vpc │
│ │ ├─┤ │
└───────────┘ │，│ │
│、│ │
│、│ │
├─┤ │
│ │ │
└─┤ │
┌──┤ │
│ │ │
└──┤ │
└────┘
图3-3智能功率模块IPM控制电路图
3.3电流检测电路
在矢量控制系统中，控制器需要及时准确地知道电机绕组中的实际电流值，以实现电机控制。实时、准确、可靠地电流采样电路，可以提高电机控制的精度。电流检测可选用的元器件种类很多，霍尔电流传感器是目前普遍采用的。霍尔传感器的特点是测量精度高、线性度好、电隔离性能好以及响应速度快。武汉理工大学硕士学位论文霍尔电流传感器有磁平衡式和直测式两种形式，磁平衡式的响应速度较快，输出形式为电流源，一须经电阻转换
成电压信号;直测式的响应速度较慢，输出形式为电压源，不需要转换电阻
[[29]0
电流采样电路的主要功能是将霍尔电流传感器检测得到的定子电流信号进行硬件滤波、幅值调整、偏移量调整、限幅后送给调速控制系统的控制芯片STM32的A/D转换口。由于永磁同步电动机定子三相常接成星型，且中点悬空，三相中只有两相独立，故电流采样电路只需要检测定子两相的电流，另外一相的反馈电流值等于测到的两相电流值相加取反的值[[30]。由永磁同步电机的数学模型可知，定子电流检测的精度和实时性是整个调速控制系统精度的关键。本系统采用LTS25-NP型传感器来检测反馈电流。该传感器有正极(+5)、测量端OUT、接地端。该传感器是闭环霍尔电流传感器，使用霍尔器件作为核心敏感元件。由两个霍尔传感器检测a, b相的电流，得到电流瞬时值，经转换电路，变成0-3.6V的电压信号。经ARM的模/数模块再做标量处理，将采样值换算成相应地数值保存至数值寄存器。图4-4是电流检测反馈电路。
电流
检测
输入
STM32的AID口
图3-4电流检测反馈电路图
图3-4中，电阻比值R刀R1决定幅值调整的倍数，将输入电压幅值增大2倍。电阻R3=R4，电压信号vREF+来自STM32的ADC模拟输入参考电压输入端，为3.6V。这样当检测输入信号为零时，检测输出为魄F、的一半1.8V。
目的是负反馈过来的电压值正向偏置1.8V。二极管D1, D2用来实现电压限幅，输出电压值范围在0-3.6V。电阻R2和电容C1实现硬件滤波。
虽说通过霍尔电流传感器也可实现强弱电的隔离，但是在实际的应用过程中，传感器检测输出端仍旧会伴有一些开关噪声，究其原因是:当原边被测导体所在桥臂的功率器件开关状态发生变化时，电位发生突变这会通过霍尔电流传感器原副边间的电容和电感等元器件祸合到副边。因为硬件滤波不能有效地将其消除掉，所以为解决问题需在缘边导体穿过霍尔电流传感器的地方，用铜皮在原边导体绝缘层外边环绕一周，并将其和装置的金属外壳相连。
3.4转子速度检测
测速环节是速度闭环控制系统的关键。电机转速检测的精度将直接影响调 速控制系统的稳定性和控制精度。增量式光电编码器是电动机控制中常用传感器，实际上是由脉冲发生器及相应电路组成的[[311。增量式光电编码器的转轴每转动一圈，会输出一定数量的脉冲，用于测量电动机输出的角位移和转速等信息，作为闭环控制的反馈量。正弦波永磁同步电动机转子的位置及转速是通过增量式光电编码器连续测量获得的。增量式光电编码器输出的转子位置信号经控制电路处理，放大后按一定顺序驱动三相桥式逆变器中主开关器件的通断，使得永磁同步电动机在定子三相绕组中产生同步速的定子圆形旋转磁势和磁场。该旋转磁势和磁场就会拖动永磁体转子以同步速旋转。 测速的方法选择测频法。测频法是:在一定时间间隔T内，对脉冲个数进 行计数，从而通过脉冲个数与时间的比值计算转速[[3210
本文采用的是CHA-1-50BM-G05E增量式光电码盘，线数为500，每转会产生2000个脉冲。增量式光电编码器的输出波形如图3-5所示，A, B为编码
器输出信号，Z为参考信号。如果通道A相位超前，参考信号为高电平，码盘就以顺时针旋转;如果通道B相位超前，参考信号为低电平，那么码盘就是以逆时针旋转。因此，如想同时获得旋转的位置和方向信息，监控脉冲的数目和信号A, B之间的相对相位信息即可。
设置电机控制芯片STM犯通用定时器TIM2为编码器接口模式，两个输入端口 TL1和TL2做为增量编码器的接口。假定计数器己经启动，则计数器由每次在TLIFP1或TL2FP2上的有效跳变去驱动。TLIFP1或TL2FP2是TL1和TL2在通过输入滤波器和极性控制后的信号。根据两个输入信号的跳变顺序，产生了计数脉冲和方向信号。依据两个输入信号的跳变顺序，计数器就会向上或向下计数，同时会对TIM2 CRl寄存器的DIR位进行设置。在任一输入端TL I或TL2上的跳变，计数器都会重新计算DIR位。当定时器配置成编码器接口模式时，提供传感器当前位置的信息。使用第二个配置在捕获模式定时器TIM3测量两个编码器事件的间隔，可以获得动态的信息一转子电角度和速度[3310
-019研叫卜一-
一T”::
图3-5增量式光电编码器的输出波形
转速电角度就等于定时器TIM2两次计数的差值除以2000再乘以电机磁极
对数。为了计算电动机的转速，必须统计一个采样周期内的脉冲个数。假设第
一次TIM2 ARR的值为已，而氏为第二次TIM2一RR的值，则有以下四种情 况:
(1)当电动机正向旋转的时候，方向信号DIR=0，若0z > ei，有△0=久一已:
(2)当电动机方向旋转的时候，方向信号DIR=1，若久
(3)当电动机正向旋转的时候，方向信号DIR=0，若久
(4)当电动机反向旋转的时候，方向信号DIR=1，若久>已，有A0=4P一(0:一01)。
中断定时器TIM8的周期T是转速计算周期。设在该时间T段内，定时器T2的计数值的增量为△0，输出的脉冲个数为P个/转，则电动机转速: 60A0
n=—
PT
(r/min)
(3-1)
3.5 IPM的保护电路
逆变器件IPM内置有保护电路，可实现控制电压欠压保护、过流保护、过热保护和短路保护。若供电电压低于规定值则发生欠压保护;在IGBT芯片的绝缘板上安装了一个温度传感器，当温度传感器测出其板子的温度超过规定温度值时则发生过热保护;如流过IGBT的电流值超过规定过流动作电流则发生过流保护，只要是上述任意一种保护动作发生，IPM都会封锁门极驱动电路，输出故障信号[[3a] 0 IPM Fo管脚发出的故障信号输入至STM32，由芯
片STM32武汉理工大学硕士学位论文执行相应的保护。为保证控制系统中的智能功率模块IPM安全地运行，STM32提供了紧急故障输入引脚BRK。当BRK引脚由使能位使能，STM32立即关闭6个PWM输出并且产生中断。通知芯片内核有异常情况发生，系统会立即停止运行。这样就起到保护芯片STM32和IPM的作用。
VII
BKIN口
IPM的F。管脚
图3-6 IPM的保护电路
4 系统开发软件及设备驱动程序设计
4.1前言
硬件是基础，软件是灵魂。配置好的系统，就要有良好的软件支持。如果 编写的软件不能够使硬件的功能按照设计的想法得以实现的话，那么设计出来的软硬件系统注定是失败的。现如今，硬件规模越来越趋向于模块化，因此因硬件问题而对系统稳定和精度造成的影响也在逐渐的减小，而软件对系统性能提高的重要性也越发凸显，可以说软件的健壮性直接影响系统的性能。
永磁同步电动机调速控制系统软件的设计应满足实时性、稳定性和可靠性三大要求。在电机的控制系统软件设计中，需在一定的时间限制内，完成对永磁同步电动机的被控量的采集和处理以及输出控制。本节详细叙述了调速控制系统的软件设计方案。矢量控制系统软件设计的思路:通过增量式编码器得到电机的电角度和实际转速，将电机实际转速值与速度的给定值相比较，经速度调节器输出可得一电流值，该值经过矢量坐标变换再与通过霍尔传感器得到的电机实际三相电流值相比较，经电流调节器调节后再与三角波比较，产生PWM输出信号
软件的功能可分为以下几部分:
(1)系统、变量的初始化，转子位置的初始化，I/O口初始化;
(2)速度环数字PI调节器，电流环数字PI调节器的软件设计;
(3)电机转速和电流反馈的计算;
(4)正弦脉宽调制算法SPWM的实现;
(5)各种故障中断服务程序的处理。
4.2主程序设计
本文中，控制系统软件可为两大部分:主程序和中断服务程序。主程序中 包括I/O口初始化、中断初始化、定时器初始化和等待程序。中断服务程序是指高级控制定时器TIM8控制的下溢中断子程序。定时器中断程序是整个控制算法的核心。在一个定时中断周期内，软件依次检测转子位置、计算电动机转速、完成定子电流的采样和计算、实现速度环和电流环的调节、将变量坐标变武汉理工大学硕士学位论文换，生成PWM控制信号。定时中断服务程序
中，电流信号的采集和转换，PWM控制信号生成的流程如下:STM32的AA〕转换器将采集到电机a, b两相电流信号的模拟信号转换为数字信号，同时根据三相电流的相位差值恒为1200，可以计算出该时刻电机另一相电流的幅值和相位[36-37]。该实际输出电流与指令电流进行比较的偏差值经过电流调节器，并将调节器的输出信号与三角波比较，产生PWM波，控制逆变电路功率器件的通和断开，进而实现对电动机的控制。一般来说，主程序在运行过程中会不断地被定时触发的中断服务程序打断。
主程序作为辅助在中断服务程序的执行间隙中运行。中断服务程序必须在中断入口保护好现场且在中断出口恢复好现场，同时中断服务程序的执行时间需要精心地计算，要求不得占满整个定时中断周期，需留下一部分的中断周期，否则容易中断服务的执行时间大于定时中断周期的问题。进入中断子程序
图4-1主程序流程图
矢量调速控制系统每次复位后首先进入的都是初始化程序。初始化设定完成之后，软件就会进入主程序中的循环等待时间，在这期间软件读取一些外部给定值，一旦有中断到来则立即进入中断服务程序，执行中断服务。 图S-2中断定时器流程图
4.3 SPWM控制信号的程序设计
文章中的永磁同步电机矢量控制系统采用正弦脉宽调制方法驱动逆变功率模块IPMo SPWM法的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦波规律变化，可有效抑制输出电压中的低次谐波分量使得转矩脉动变小，从而可大幅度地去扩展电机的调速范围[[38]。在硬件调制法中，SPWM控制方法是通过正弦
调制波与三角载波确定功率器件的导通与关断生成PWM波。而规则采样法是在此基础上改进过来的。对于三相桥式逆变电路，应形成三相脉宽调制的波形。通常情况下三相的三角载波是合用的，三相调制波的相位依次差相差1200，这是一个严格的永远不会改变的相位差关系，因此只需计算其中某一相的波形，然后采用移相的方法就可得到其他两相的SPWM波形。以a相为例，如图5-4示，当调制波信号的幅值大于载波信号的幅值时，a相绕组电位为高电位;反之，a相绕组电位为低电位。规则采样法是波形发生器通过编程方法实现的，在三相电动机变频调速系统中，采用此种方法可以使得PWM波产生的谐波分量相对而言比较小。所谓不对称规则采样法，是指既会在三角波的顶点位置又会在底点位置对正弦波进行采样的方法，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，可以用软件之间计算两个波形的交点时刻，还有在一个三角波的周期内，采样点的位置是不对称的如图5-3所示[[39]。在这里，采样周期TS是三角波周期T,的1/2即有兀=兀/2。根据图4-3，可得:
{toffl
{tonl
T,一。
4
T
~~二‘十a
4
}!一
}tong
T,一b
4
T}+。
4
(5-1)
图4-3
由相似三角形的相似关系，不对称规则采样法可得出a, b两段的采样时间: “二
T, U, sin ootl
4U,
(5-2)
b_T,U, sin tote
4U,
(4-3)
又有正弦调制波与三角载波的调试比M = U, /U,，式中的U。为正弦波最大 幅值，U，为三角载波最大幅值，则有:
}
tonl一Tc(1+禁wtl)4
t。。2 Tc (1+Msin(ot2)one = 4
千T (1一M sin wt,
}t_二，=—
J-ii‘_4_
}Z二(1一M sin wt,)
I t_-1=—
tTj‘4
(4-4)
不对称规则采样生成的PWM波的脉冲宽度为:
T
‘一‘onl+ton，一寸
[
1+竺
2
(sin。，十。in。，，))
“」
(5-5)
式((5-5)中，兀是采样周期，。是正弦调制波角频率，且有。=2磷。假设三角载波与正弦调制波的载波比N=fr/fc，fr为三角波载波频率，fc为正弦调制波频率，则有:
ot,一27z-f, k Ts一、1二
2
f, k1二
f,
(k1=0, 2, 4...... 2N-2) (5-6)
。，一21cf^kTs一k，二
2
fck2二
f, N
(k2=1, 3, 5...... 2N-1) (5-7)
丑
t,一‘onl十‘on，一寸
〔
，M
1十—
(sin cotl‘s，一，」一Tc2
，M
I十—
，.k,二.kl)几1
Lsin了十sin亨，」
(4-8)
式(4-8)中，k1生效时为顶点采样，k2生效时为底点采样。为了能按上 述各式计算出SPWM波的开关时刻，必须确定采样周期双、调制比M、载波 比N以及采样点的三相正弦函数值。
图4-4脉冲宽度调制信号流程图
4.4电流采集程序设计
电流霍尔传感器采集到的电流经采样电阻变为电压信号，继而通过硬件滤波、幅值调整、偏置量调整、限幅后送给ARM的A/D转换口。输入至.STM32A/D口的电压范围值为0-3.6V，实际上是偏置后的值。控制芯片STM32在对其进行数字量化时，要先消除偏移量的影响，之后才对电流数字信号值进行坐标变换。欲使用STM32的A/D口，应该在系统初始化时使能A/D时钟。之后才可对模拟/数字转换口进行相应地操作。电流采集电路的流程图如下图5-5所示。电流检测电路的模数转换过程中采用连续多次求平均值的方法获取采样值，提高电流采样的精度。
┌─────┐
│计算电流值│
└─────┘
图4-5电流采集流程图
4.5坐标变换的程序设计
坐标变换是为了实现交流电机直流化控制的重要方法。我们将给定的三相 电流值，采用功率不变约束的坐标逆变换方式，使得电动机三相实际电流iQ , i6武汉理工大学硕士学位论文
和il变换到dq坐标系的电流id和'q。这样我们就可以在dq旋转坐标系下实现对电机的控制(控制id和i。的幅值和相位)，从而实现控制三相定子电流的幅值和相位[[40]。在坐标变换的过程中需要用到角度的正/余弦值，正/余弦值可通过查STM32控制芯片中寄存器里的表来确定。而这些值是做成表的形式保存于STM32的寄存器中。坐标变换的具体公式参考第2章节的式(2-10)0 开始读取转角位置、转子电流查sin, cos表坐标变换计算返回
图4-6矢量坐标变换流程图
4.6 PI调节器的程序设计
永磁同步电动机矢量调速控制系统是双闭环设计:速度环和电流环。速度 环作用是提高系统的动态特性和抗干扰性能，同时要抑制速度波动。电流环的
作用是:限制最大电流，使系统有足够大的加速转矩，在电机过载的时候，限 制电枢电流值保护电机。在速度环和电流环的控制中，反馈信号必须实时随着给定信号的变化而变化[[41]。本文中的速度环和电流环均采用了PI调节器，可由控制芯片STM32通过软件编程予以实现，不断地将反馈信号与给定信号进行比较，求出它们俩之间的差值。比例调节器的功能是对偏差作出快速反应，调节器必须控制偏差量向着减小的方向变化。积分调节器的作用是消除
稳态偏差，提高精度。在调节的过程中，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会不断增大。它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直至零值，使整个系统在速度指令信号不变的条件下趋于稳态。采用ARM控制电动机，可不再使用模拟PI调节器，取而代之的是数字PI调节器。模拟PI控制器的控制规律为:
u(t，一Kp“·(/，·会f e(t)dt“一
(4-9)
式((4-9)中:e(t)为PI调节器的输入，U(t)为PI调节器的输出，Kp为比 例系数，Ti为积分常数。
对模拟PI控制器的控制规律做离散化处理可得数字PI调节器的算法公式:
T
uk=np Lek+下乙e;]+uo
丈 I i=o
(4一10)
式((4-10)中:T为采样周期;k为采样序号，k = 0,1,2一;u、为第k次采样时刻的输出值;e、为第k次采样时刻输入的偏差值;K，为积分系数，K，二Kp/兀;u。为开始进行PI调节时候的初值。根据上式(5-10), PI调节器的输出可进一步变化。假设第k次采样时刻的输出值增量为:Auk = u、一uk_1 =Kp(e、一ek_I ) + TKI ek。可得u、二uk_I + K p (e、一ek_I ) + TKI e、或是uk = uk_，十凡e、十Kzek_I。上面两式中:uk_，为第k一1次采样时刻的输出值，ek_，为第k一1次采样时刻输入的偏差值，K,、K:是积分系数。
K, = K p + TK,·K2 = -K p (4-11)
利用上面的列出式子，可计算出速度环和电流环的PI调节器输出。电流环的参数可由电流环设计中可知，分别是K; = 30; T, = 0.025ms ; Kp = 4.67，代入式(4-11)可求得K, =19.1, K2 --4.67。因此，数字电流PI调节器的输出如式(4-12)0
uk = u、一，+凡ek + KZek_, = u、一，+19.1e、一4.67ek_, (4-12) 速度环的参数由速度环设计中可知，Kr =KS =3.39; T, =TS二2.5 x 10-4 ,代入式(5-11)可求得K, =13.9;K2=-3.39，因此，数字速度PI调节器的输出如式(5-13)0
uk = u*一，+ K, ek + k2 ek_, = uk_, + 13.9e、一3.39ek_, (4-13)
5永磁同步电机矢量控制系统的仿真
5.1前言
为了验证已设计的永磁同步电动机矢量控制系统，利用MATLAB/Simulink仿真工具建立基于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，并得出了仿真结果。整个仿真模型系统包括下面几个部分:
(1)永磁同步电动机的仿真模型和电机参数测量模块;
(2)电机给定电流从旋转坐标系向静止坐标系转换的坐标变换模块;
(3)电流环控制模块;
(4)直流电变换为交流电的逆变模块。
本次仿真实验中正弦波永磁同步电动机使用的是MATLAB/Simulink仿真工具SimPowerSystems库中Machines子类里提供的永磁同步电动机的模型，
此模型为定子绕组星型连接的三相永磁同步电机模块。永磁同步电动机的参数可通过电动机模块的参数对话框来输入。该模块有四个输入端分别是三相输入端A,B, C和负载转矩输入几[42]。测量转子旋转位置、电机电磁转矩和三相电流等电机运行参数的测量模块也可以在Machines子类中找到并可以拿来直接就能够使用的模型，该测量模块可以直接测出电机转速、电磁转矩、定子电流等等电机的运行参数。
5.2坐标变换模块
矢量控制的基本思路是将三相静止坐标系下的定子电流is , i。和i。通过克拉克变换即三相/二相变换等效成两相静止坐标系下的交流电流i。和is，然后再经转子磁场定向的帕克变换等效成两相旋转坐标下的电流i、和几[43]。上述变换的逆过程即为dq/ab。坐标变换。坐标矢量变换的设计如图5-6。基于坐标变换公式，可以使用仿真工具提供的功能模块搭建一个坐标变换的仿真模型如图6-1所示。因为永磁同步电动机调速系统采用id = O的矢量控制方式，所以在仿真的时候d轴方向的电流输入需要恒定地设置为零值。图中U为转子的电角度。
图5-1坐标变换仿真模型图
5.3电流环控制模块
本文采用三角载波比较方式的电流滞环控制方案。即把指令电流与经过矢量坐标逆变换的永磁同步电机三相定子的实际电流值进行比较，求出偏差电流，通过电流调节器后再和三角波信号进行比较，产生PWM波控制逆变电路中各功率开关器件的通、断。三角载波信号可以直接使用MATLAB中的信号发生模块来生成。电流环中的电流数字调节器的设计参考章节5.6 0
图5-2电流环控制模块
5.4逆变模块
逆变模块采用3对IGBT功率器件，反向并联续流二极管组成。开关器件 的导通与关断均受电流滞环的输出电流控制。同一相上下两臂交替导通，各相
开始导电的角度依次相差1200。在任一时刻，有且仅有三个桥臂会同时导通。 三个桥臂可能是上面一个桥臂和下面两个桥臂导通，也可能是上面两个桥臂和下面一个桥臂导通。总之，每次换流都是在同一相上下两臂之间交替进行的。逆变模块的仿真结构图如图5-3所示。在该仿真模型中，IGBT模型的m端用terminator终止该输出信号。
图5-3逆变模块仿真图
5.5系统仿真与结果分析
在MATLAB/Simulink仿真工具中将所有的模块连接起来，可以得到正弦波
永磁同步电动机矢量控制系统的仿真模型结构如图5-4所示。子系统是由电流 环控制模块和逆变模块组合而成的，内l ab。系统是坐标变换模块，速度环的PI调节器的设计已在前面章节中的速度环数字PI调节器的程序设计完成。矢量控制系统是通过永磁同步电动机的速度反馈信号与给定的速度值比较，差值通过速度调节器作为q轴方向的电流参考量，而d轴方向上的电流值设定为零。这两个参考量加上同步电动机反馈回来的转子角速度通过dq l abc坐标变换，变换为三相定子坐标系上的给定的电流指令值。通过电流控制环，使电动机实际武汉理工大学硕士学位论文输入三相电流与之前得出的给定的电
流指令值一致，在经PWM逆变器，就可实现电动机的转矩控制。理论上，在永磁同步电动机达到稳态的时候，调速系统的实际速度能够实现对给定速度的良好的跟踪【}l0
本次仿真使用的是Simulink/Machines库提供的永磁同步电动机，将其参数按照下面的给定数值设置:电机永磁磁通0.175Wb、电机极对数4、转动惯量1.414x10-3Kg"m2，定子电阻4S2、定子电感7mH，粘性摩擦系数为。、逆变器输入直流电压为160V、额定转速3000rpm o
图5-4永磁同步电机矢量控制系统仿真图
设定在Simulink中仿真时间为0.06s，仿真算法选择odel 5:变步长算法。系统仿真开始的时候，电机是空载启动，而在0.04秒的时候，突加负载转矩3Nma转速给定值设定为700rad l s。利用Scope模块显示电机运行时的各项参数。
图5-5电磁转矩和转子电角速度武汉理工大学硕士学位论文
图5-6 SPWM控制输出的三相定子电流波形
电机的转速、电磁转矩和三相电流的仿真结果分别如图5-5、图5-6所示。由图5-5可知，在电动机刚启动的时候，电机的电磁转矩会迅速攀升到最大的32Nm。过了一小段时间之后，电机的电磁转矩会稳定在3Nm这个正常值上。在0.04秒的时侯，给电机突加一负载转矩3Nm，电磁转矩会有一个小小的振荡过程，之后电机的电磁转矩会稳定在一个1N}”处。还有，转子电角速度。也会快速地稳定到给定转速，并且在突加负载转矩时几乎没有受到任何的干扰。这也验证了前文所提到的在永磁同步电动机达到稳态的时候，系统的实际速度能实现对给定速度的良好跟踪的理论。可以说以这种控制方式来设计
永磁同步电机的调速系统，有较小电磁转矩脉动且良好的转矩控制性能。
6总结和展望
6.1全文总结
由于永磁同步电动机具有能量转换效率高、调速范围广、运行可靠等优点，这使得永磁同步电动机产业得到了迅猛快速地发展。随着永磁同步电动机调速系统越来越多地应用在家用电器、工业自动化以及航空航天等各个领域，对永磁同步电动机控制系统的控制性能的要求也越来越高了，不仅要求控制系统较强的动态响应能力，而且要求系统具有较高的稳态性能和较高的控制精度。因
而研究高性能永磁同步电动机调速控制技术具有重要的理论意义和实用价值。
本文对永磁同步电动机调速控制系统的研究可归结为以下三个方面:
(1)本文在基于永磁同步电动机dq旋转坐标系数学模型的基础上，提出 永磁同步电动机电流调制控制策略。这种控制策略保持电流矢量和转子磁场矢
量垂直关系，以此达到永磁同步电动机的自同步变频调速控制的目的。利用 MATLAB/Simulink中提供的模块模型，建立基于转子磁场定向矢量控制方式的永磁同步电机调速控制系统的仿真模型，其中电流环采用的是三角波载波比较方式的电流滞环模型，速度环采用的是典型11型系统设计。之后即可进行永磁同步电动机调速控制系统的仿真实验，得到仿真实验结果相应地曲线。最后结合调速控制系统的理论，分析并验证仿真实验结果。
(2)电机调速控制硬件系统采用电机专用控制芯片STM32、智能功率模 块IPM、增量式光电编码器以及永磁同步电机构建而成。整个硬件电路包括: ARM控制电路和主回路。ARM控制回路实现电机调速控制的核心算法，这部分属于软件设计。主回路是由逆变电路、电流检测电路和速度检测电路等组成。
(3)在完成系统硬件电路设计的基础上，编写永磁同步电动机调速系统的软件。软件主要包括调速系统控制主程序和各个中断服务子程序，其中中断服务子程序包含电流采集子程序、光电编码测速子程序和PWM波生成子程序等。
6.2展望
由于永磁同步电动机调速控制系统研究内容广泛，限于笔者学术水平限制，文章中难免有错误、缺漏或是需要进一步改进的地方。具体表现在以下两方面:
(1)尝试使用一些其他的电机控制策略、控制理论应用在电机调速控制系 统中，譬如直接转矩控制、模糊控制、滑模变结构控制等。研究控制系统的动态特性以及控制精度与矢量控制策略的控制效率相比较有无提高?
(2)研究如何能够进一步的改进软件控制算法，进一步提高电机调速控制系统的可靠性和准确性。武汉理工大学硕士学位论文
致谢
时光飞逝，三年的硕士生涯即将成为美好的回忆。在此，我向所有帮助和支持过我的老师以及同学们表示衷心的感谢和祝福。
首先，我要感谢我的导师刘皓春教授。感谢刘老师多年来孜孜不倦的教
导。正是在刘老师的谆谆教诲和悉心指导下，学生才能得以顺利地完成硕士论文课题的研究工作。可以说本文的每一章节，都凝集着导师的心血和汗水。导师高深的学术水平以及实事求是的治学态度，均使学生受益匪浅。这些宝贵的经验将对学生今后的工作和生活产生深远影响。谨此，再次向导师致以衷心的感谢。
而后感谢同门师兄弟和同窗好友在学习和生活上给予的热心帮助和大力支持。我的研究工作能够顺利地开展和完成，完全离不开你们的帮助和支持。 最后，再次向所有关心和帮助过我的人致以真挚的谢意
基于STM32的电机驱动系统的设计
专业：机电工程系
班级：
姓名： 徐斐斐
目 录
引 言 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。 1 绪论 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1 课题研究的背景和意义 ................................................................ 错误！未定义书签。
1.2 视频处理器的发展前景 ................................................................ 错误！未定义书签。
1.3 论文主要工作概述 ................................... 错误！未定义书签。
1.4 论文的组织结构 ..................................... 错误！未定义书签。 2 基于STM32的电机驱动系统总体设计 ................................... 错误！未定义书签。
2.1 设计需求 ......................................................................................... 错误！未定义书签。
2.2 方案选择 ......................................................................................... 错误！未定义书签。
2.3 主处理器的选择(STM32F103) ........................................................ 错误！未定义书签。
2.4 系统编程软件功能介绍（Keil） .................................................. 错误！未定义书签。
2.5 小结 ................................................................................................. 错误！未定义书签。 3 系统硬件电路设计 ........................................................................... 错误！未定义书签。
3.1 STM32F103功能介绍 .................................. 错误！未定义书签。
3.2.1 STM32F103的特点及功能描述 .................... 错误！未定义书签。
3.2.2 STM32F103的。。。。。。 ...................... 错误！未定义书签。
3.2.3 STM32F103的。。。。。。 ...................... 错误！未定义书签。
3.2.4 STM32F103的。。。。。。 ...................... 错误！未定义书签。 。。。。。。 STM32F103的。。。。。。 ............... 错误！未定义书签。
3.2 STM32F103电源电路设计 .............................. 错误！未定义书签。
3.3 STM32F103时钟电路设计 .............................. 错误！未定义书签。
3.5 STM32F103 LED数码管驱动电路设计 .................... 错误！未定义书签。
3.5 电机驱动电路设计（ULN2003） ........................ 错误！未定义书签。
3.6 本章小结 ........................................... 错误！未定义书签。 4 系统开发软件及设备驱动程序设计 .......................................... 错误！未定义书签。
4.1 Keil概述 ........................................... 错误！未定义书签。
4.2 动态LED数码管驱程序设计 ........................... 错误！未定义书签。
4.3 电机驱动程序设计 ................................... 错误！未定义书签。
4.4本章小结 ............................................ 错误！未定义书签。
5 硬件电路调试实验与整体运行调试 .......................................... 错误！未定义书签。
5.1 各个子系统调试 ..................................... 错误！未定义书签。
5.1.1 电源调试 ..................................... 错误！未定义书签。
5.1.2 时钟调试 ..................................... 错误！未定义书签。
5.1.3 LED数码管驱动调试 ........................... 错误！未定义书签。
5.1.4 电机驱动模块调试 ............................. 错误！未定义书签。
5.2系统联调 ............................................ 错误！未定义书签。
5.3 本章小结 ........................................... 错误！未定义书签。 结 论 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .................................................................................................... 错误！未定义书签。 附录 源程序 ............................................................................................. 错误！未定义书签。
注意：目录中的页码是随着你写的内容而不同的，总页数在60也左右，给我留出删除的空间，我修改后，最终页数应大于50页。
摘要
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。
纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32F103无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32F103以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32F103的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道Cortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”
本文分别介绍了永磁同步电机矢量控制系统的硬件和软件设计。详细的介绍了以STM32为控制核心的控制电路，主回路由脉宽调制逆变器、永磁同步电动机、电流检测电路、速度检测电路组成的永磁同步电机调速控制系统的硬件电路。细致地蟾酥了稳重的软件设计思路，包括系统的主程序、中断控制程序以及各项子程序的软件设计。通过对仿真结果的分析，验证所采用
的控制算法的可行性和正确性。
关键字：永磁同步电动机，矢量控制，ARM，正弦脉冲宽度调制
Abstract
In recent years, with microelectronics technology, power electronic
technology, modern control technology, material technology rapid development and motor manufacturing process of gradually raise the level, and exchange the permanent magnet synchronous motor with its small size, simple structure and so on characteristics of industry and agriculture, in daily life and many high-tech
quickly in a wide range of applications. Therefore, the design of high performance, high precision of permanent magnet synchronous motor become modern electric servo drive system of a development trend.
Throughout MCU market, at present the most mainstream architecture means can be divided into two classes, independent intellectual property rights structure and based on the ARM architecture MCU. The former mainly include Intel's X86 architecture, freescale's Power PC, the MicroChip PIC series, Atmel AVR series of, the latter by numerous based on the development of the ARM architecture of
manufacturers, including ST, NXP, NEC and acquired Luminary of TI, etc. Based on the ARM architecture development in many of the product in the center, STM32F103 undoubtedly is one of the most successful one of the products.
Stmicroelectronics MCU marketing manager ZhangJunHui congress introduced in midfield, said in the Google and Baidu search engines such as check to
STM32F103 and Cortex M3 for keywords search times and it was easy to find,
STM32F103 based on the direct search volume than Cortex M3 many times higher. "A lot of people probably don't know Cortex M3, but heard STM32. Now STM32 has become one of the best Cortex M3 card."
This paper introduces the permanent magnet synchronous motor vector
control system hardware and software design. Detailed introduces the STM32 as control core control circuit, the main loop by pulse width modulation inverter, permanent magnet synchronous motor, electric current detection circuit, speed detection circuit composed of permanent magnet synchronous motor speed control system hardware circuit. Detailed the sedate software design of toads
ideas, including the system of the main program, interrupt control procedures and the procedure of the software design. Through the analysis of simulation results, confirmation USES the correctness and feasibility of the control algorithm.
Key word: permanent magnet synchronous motor;vector control; ARM; sine pulse width modulation
引言
近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。
伺服驱动器按照功能特征可分为功率板和控制板两个独立的模块，本文在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性能，为此，论文采用意法半导体推出的STM32作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz。强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。功率驱动单元应用了IPM(智能功率模块)，与以往的IGBT相比较，IPM FSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。
而在MCU市场，这项包含技术难点最多也拥有最广泛市场潜力的技术产物从一开始就注定了将会面临比其他技术更强有力的争夺与冲击。纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的Power PC，
MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。
在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32无疑是其中最成功的产品之一。意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在
Google,Baidu 等搜索引擎上查看以STM32以及Cortex M3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32的直接搜索量比Cortex M3高出很多倍。“很多人可能不知道Cortex M3，但是却听说过STM32。现在STM32已经成了Cortex M3最好的一张名片。”
但是就是这张Cortex M3最好的名片在新一轮市场争夺战中也面临着拓展的问题。怎样更好的符合消费者使用习惯？哪些领域会成为下一个新的市场热点？除了强调功耗的Energy Lite,强调性能的Performance Line，强调应用的Access Line,STM32未来还将有哪些产品链路？
依据永磁同步电动机在dq旋转坐标系下的数学模型，在
MATLAB/Simulink仿真工具下建立了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型。仿真模型是基于三角波比较跟踪的电流滞环控制方式，产生PWM信号控制逆变器。通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。
1 绪论
1.1 课题的研究背景
电机是一种能够进行机电能量装换的机械设备，它有效地将电能转换成机械能，使得电机可以实现各种运作。因而被广泛地应用于工农业生产、国防工业及社会生活等各个领域。按照电机类型的不同划分电机控制类型，电机调速控制可分为直流调速和交流调速两类。
直流调速即是对直流电动机的调速控制。众所周知，因为直流电动机中产生转矩的两个要素励磁磁通和电枢电流相互间没有耦合的关系，所以直流电机可通过控制相应电流从而就可非常容易的实现电机转速的控制和调节。因此直流电动机调速时易获得良好的静态和动态调速特性。在变速转动领域中，直流电动机调速长期以来都是占据着主导地位。然而由于直流电机本身结构机械换向器和电刷存在重大的缺陷，致使直流电机调速系统的应用推广受到了限制。
交流调速则是对交流电动机的速度控制。由于交流电机结构简单、坚固耐用、运行可靠，特别是它克服了直流电机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在工农业生产中得到了极为广泛地推广。但是，由于长期以来受到实现技术的制约，交流电机作为调速电机的应用受到了很大的限制。不过，科学技术的迅猛发展为交流调速的发展创造了有利的技术条件和物质基础。交流电动机可通过采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念来实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，这就实现了将交流电机的控制过程等效为直流电机的控制过程，使得交流调速系统的动态性能得到了显著地改善和提高。
转子采用永磁材料的永磁同步电机，控制系统相对于异步电机而言比较简单，容易实现高性能的控制。稀土永磁电机因而具有结构简单；运行可靠；效率高等显著有点，因而广泛应用于工农业生产、航天航空和日常生活等各个领域。近年来在永磁材料的生产方面出现了突破性的进展，高性能永磁同步电动机的研制也随之有了长足的发展。永磁电机的发展史与永磁材料的发展密切相关的。
永磁电机的研究和开发大致分成三个阶段[4]0
(1) 60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁材料价格昂贵，研究开发重 点是航空、航天使用电机和要求高性能的高科技领域。
(2) 80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钦铁硼永磁材料后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，不仅使得许多传统的励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。
(3)进入90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高，特别是钦铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低以及电力电子技术的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，使得永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得广泛的应用外，也使稀土永磁电机的研究开发进入新阶段。一方面，稀土永磁电机的开发向大功率化、高功能化和微型化方向发展;另一方面，永磁电机的结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了一整套的研究方法。
随着永磁同步电机在各个领域的广泛应用，对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，既希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能，又希望控制系统的成本尽可能得低。鉴于此，国内外许多的专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略，部分已获得了很好的实际效果
1.2 视频处理器的发展前景
现代交流调速系统由交流电机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。其中，电力电子功率变换器与控制器及检测器合起来称之为变频调速装置。
按照交流电机的分类，交流调速系统可划分为以下两类:异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。同步电动机转速公式。= 60 f, /n p(其中f,为定子供电频率，n，为电动机极对数)可知，同步电动机是靠变频调速的。在调速系统中采用同步电动机有以下优点:
(1)同步电动机的转速与电源的基波频率保持着严格的同步关系，只要精确地控制变频电源的频率就能准确地控制电机速度;
(2)同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有较强的承受能力，能做出较J决反应;
(3)同步电机的调速范围比异步电机宽;
(4)同步电动机能够利用电动机的反电动势实现负载换流。
因为同步电动机拥有出众的优点，所以同步电动机调速系统越来越受世人的关注。根据频率控制方式的不同，又可将同步电机调速控制系统分为两类，即他控式变频调速和自控式变频调速。
他控式变频调速:用独立的变频装置做永磁同步电动机的变频电源，电动
机的转速严格跟随电源频率的变化而变化。他控式变频调速常用于开环控制系统。自控式变频调速:采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，从而使得同步电动机可以工作在自同步状态[[7l。自控式同步电动机变频调速与他控式变频调速相比最大的不同就是能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。这得益于控制方式本身，因为转子位置检测器控制为同步电动机定子供电的变频装置的输出频率，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相
等，始终保持同步，因此不会因负载冲击等原因造成失步现象[[810
自控式变频同步电动机调速系统可分为两类:一类是大、中容量的调速系统，一般采用普通的电励磁结构，通过电刷和滑环引入励磁电流。另一类是小型调速系统，多采用结构更为简单的磁阻式或永磁式同步电动机[[910
永磁同步电动机控制方法的研究开始于八十年代，由于其与直流电动机相比具有多变量、非线性和强祸合的特性，常用的调速方法不再适用于永磁同步电动机调速控制系统，需采用新的控制算法。国内外的专家学者开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点:第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升;第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降;第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点E"]. 1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、
动态特性。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性【川。
由于电子电力科学技术的限制，同步电机的调速技术也受到了相应地制约。然而，随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法〔12-13]。随着电力电子技术的飞速发展，各种容量和形式的变频电源、逆变装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，因而对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，即希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能。
鉴于此，许多国内外专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略如矢量控制、转矩直接控制等。这些新的控制方法进一步地改进了交流电机的控制性能，使得现代高性能的交流永磁调速系统的动态性能静态性能和动态性能得到了显著的改善，完全能够达到甚至是超过直流电机调速系统静态性能和动态性能的水平
1.3 论文主要工作概述
本课题是基于ARM Cortex-M3控制芯片对永磁同步电机调速控制系统进行
设计。在掌握调速控制系统工作原理和组成、永磁同步电动机动态数学模型等
基础上，设计一基于ARM Cortex-M3的永磁同步电动机调速控制系统。ARM Cortex-M3芯片可实现电机的矢量控制。为了验证此系统的设计方案的正确性
和
可行性，利用MATLAB仿真软件进行建模和仿真。论文的研究内容包括以下几
个方面:
(1)完成永磁同步电机调速控制系统总体方案的设计;
(2)完成永磁同步电机调速控制系统的硬件电路的设计;
(3)给出永磁同步电机调速控制系统的软件设计流程;
(4)利用MATLAB/Simulink仿真工具，实现永磁同步电动机矢量控制系统 的仿真。
1.4 论文的组织结构
论文的内容组织与章节安排如下:
第一章绪论:介绍了本文课题研究的背景，对同步电机调速系统的概况和永磁同步电机调速系统的发展状况分别进行简述，同时叙述了课题研究的意义和内容。
第二章永磁同步电机的矢量控制:本章节以正弦交流驱动的永磁同步电动机为研究对象，首先提出了矢量控制的基本原理。而后本章节又介绍了矢量坐武汉理工大学硕士学位论文标变换的基本规律，根据坐标变换提出dq坐标系下永磁同步电动机的数学模型，这里还包括电压回路方程、磁链方程以及转矩方程等。这些电磁间独特的关联，特别是定子电流和转子电流的相互作用而产生的磁通和转矩间的关系，为实现对永磁同步电动机系统的控制即实现在定向坐标系上各量的控制，提供了理论基础。文章最后画出了基于id = O矢量控制方式的永磁同步电动机调速系统的原理框图。
第三章矢量控制系统电流环和速度环的设计:本章对永磁同步电动机调速控制系统的电流环和速度环进行理论分析，为电流环、速度环建模提供理论依据。之后，计算电流环和速度环的传递函数值。
第四章基于ARM Cortex矢量控制系统的硬件设计:详细的阐述永磁同步电动机调速控制系统的硬件设计，分别介绍控制系统各个模块电路的工作原理和实现的功能。画出永磁同步电动机调速控制系统电路图，包括控制电路、电流检测电路、逆变电路等，详细说明各电路的组成情况和电路中使用到的元器件选择。
第五章永磁同步电机矢量控制系统的软件设计:基于硬件电路设计的基础上，详细叙述调速控制系统中各个模块的软件设计思路，并且在文中给出了软件设计流程图。
第六章永磁同步电机矢量控制系统的仿真:本章在MATLAB仿真工具中对系统的坐标变换模块、电流环控制模块和逆变模块进行模块化设计，而后将各个模块组合形成永磁同步电动机调速控制系统的整体，实现对整个系统的建模和仿真。最后分析得出的仿真结果。
第七章总结和展望:本章节对全文进行概括和总结。总结了永磁同步电动机调速控制系统的研究成果，并展望永磁同步电动机调速控制系统的研究前景。
2 基于STM32的电机驱动系统总体设计
2.1 设计需求
在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性
能，为此，采用意法半导体推出的STM32F103作为控制核心芯片。它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72 MHz。强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。功率驱动单元应用了IPM(智能功率模块)，与以往的IGBT相比较，IPM FSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。
2.2 方案选择
3 基于ARM Cortex矢量控制系统的硬件设计
3.1基于ARM Cortex矢量控制系统的设计方案
早期，调速控制系统的控制器多由模拟电子电路组成。但是，随着微机控制技术的发展，特别是以单片机、DSP和ARM为控制核心的微机控制技术的发展，使得调速控制系统走向数字控制。数字化使得控制器许多难以实现的复杂控制得以解决，如矢量控制中的坐标变换计算和解祸控制等等。
目前，市面上有很多专用电机控制的芯片可供选择。其中，美国TI公司设计推出的以TMS320C2000系列为内核的控制器将电机控制中常用的硬件电路固化在芯片中，且提供了众多的外设接口，可以说是具有强大的接口能力和嵌入功能。特别适用于有大批量数据处理的控制场合，如电机控制、伺服系统和工业自动化控制等等[22]。意法半导体公司推出的STM32系列微控制器是为满足价格敏感的家用电器和工业设备对微控制器的高性能和低能耗的要求而专门开发。STM32微控制器以性能强大的Cortex-M3为芯片内核。Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少，中断延迟小，调试容
易等特点。对于系统和软件开发，Cortex-M3处理器具有以下优势:小的处理器内核、系统和存储器，可降低器件成本;完整的电源管理;快速的中断处理，满足高速、临界的控制应用;增强的系统调试功能，可加快开发进程等等[[23-24] o STM32的内核和专用电机控制外设都有充足的处理能力来优化驱动器的性能，最小化系统总体成本。下面就针对上述两厂家的电机控制专用芯片做个比较。比较内容从内核性能和与运动控制相关的片内集成外设性能两个方面进行。
┌──────┬─────────┬──────┐
│性能参数 │STM32 │TMS320LF240 │
├──────┼─────────┼──────┤
│内核 │32位ARM cortex-M3 │16位C2000 │
├──────┼─────────┼──────┤
│工作电压范围│2.0-3.6V │3.0-3.6V │
├──────┼─────────┼──────┤
│最高工作频率│72MHz │40MHz │
├──────┼─────────┼──────┤
│最高运算速度│90MIPS │40MIPS │
├──────┼─────────┼──────┤
│体系结构 │哈佛结构 │哈佛结构 │
├──────┼─────────┼──────┤
│内部程序空间│128K字flash │32K字flash │
└──────┴─────────┴──────┘┌──────┬────────┬─────────┐
│内部数据空间│20K字SRAM │2.5K字RAM │
├──────┼────────┼─────────┤
│DMA │7通道 │无 │
├──────┼────────┼─────────┤
│PWM │1*6路16位 │2*6路16位 │
├──────┼────────┼─────────┤
│A/D │16通道12位lus, │16通道10位500ns, │
│ │采用范围:0-3.6位│ 采用范围:0-3.3V │
│输入捕获单元│4 │6 │
表3-1 STM32和TMS320LF240性能参数
由上表3-1可看出，由于内置了单周期的硬件乘法及除法单元，STM32可完成复杂的矩阵运算，轻松实现电机矢量控制;先进的PWM发生器及双采样12位AD转换器，可实现更精确地控制;DMA, USB等丰富的外设，方便对电机进行更周密的监控及大量数据传送;兼容5V电平、内置智能切换时钟电路、低电压监测电路、工业级温度范围可稳定运行于恶劣的工业领域以及汽车领域。
STM32微控制器内置有高级控制定时器( TIM I和TIM8 )、通用定时器(TIMx )以及基本定时器(TIM6和TIM7 )。高级控制定时器由一个16位的自动装载计数器组成，由一个可编程的预分频器驱动。它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获);产生输出波形(输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等);使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微妙到几个毫秒的调节;支持定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路。通用定时器也是由一个通过可编程预分频器启动的16位自动装载计数器构成。除了不能输出嵌入死区时间互补的PWM波形外，其他的功能和高级控制定时器没有太大的区别。基本定时器TIM6和TIM7各包含一个16位自动装载计数器，由各自的预分频器驱动。它们可以
作为通用定时器提供时间基准，特别地可以为数模转换器提供时钟[2a]0
STM32微控制器内的ADC是一个12位逐次逼近型模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。
在已设计的矢量控制系统原理图的基础上，本文设计的永磁同步电动机矢量调速控制系统硬件结构图如图4-1所示。永磁同步电动机矢量调速控制系统是由主回路和控制回路两部分组成。系统主回路采用交一直一交电压源型变频器的形式来给永磁同步电机供电，它是由整流滤波电路和逆变电路构成的。电路将输入的三相交流电通过整流滤波环节将之转换为直流电，逆变电路再将直流电变换为频率可调的三相交流电输出至永磁同步电动机，以实现电机调速控制的目的。控制回路采用了STM32F 103RC增强型控制器，工作频率是在72MHz,且其带有片内4GB的存储器空间和丰富的外设。STM32自带的固件库提供访问其外设所需的库函数。ARM Cortex-M3芯片需要完成以下功能:
(1)正弦波脉冲宽度调制控制算法:利用高级控制定时器TIM I实现脉冲宽度调制，控制逆变电路中的功率器件的导通和断开;
(2)电流采样计算:采集电机的三相定子电流瞬时值输入至控制芯片处理，将模拟电流转化为数字信号;
(3)坐标的矢量变换:三相定子坐标与旋转坐标之间坐标变换算法的实现;
(4)速度和电流调节器:实现速度环和电流环调节;
(5) IPM保护信号处理:IPM保护中断处理。:启动延时电路:
Tio}
图3-1基于ARM Cortex的永磁同步电机矢量控制系统结构图
3.2系统的主回路
永磁同步电动机矢量控制系统由主回路、脉宽调制逆变器、永磁同步电机、电流检测电路、速度检测电路组成。由图4-1可知，主回路由四个部分组成，从左至右分别是整流滤波电路、启动延时电路、能耗电路以及DC/AC逆变电路。
首先，整流电路采用三相不可控整流桥，将三相交流电转换为两相直流电压供给永磁同步电机。而在直流侧并联一电容是为滤除整流后直流电压中的谐波分量。为了达到保护整流桥的目的，需在电路中加入一启动延时电路。因为在主回路刚刚启动的一小段时间内，继电器是处于断开的状态而串联在主回路中的电阻R3则是导通的，这样的设计是为限制整流电路直流侧电容的充电电流。等到电容器充电完成后，继电器闭合，致使电阻R3短路。其次在电机制动时，电机处于发电状态，与其相连的直流侧电路中将产生大量的电能，导致该边路上的电容储能增加，相应地该侧直流电压也随之不断升高，最终会对逆变器的
安全构成威胁，因而需要在直流侧增加一消耗电能的回路。由图4-1可知，能耗电路是由电阻R1和开关管Tll两者组成。当直流侧电压超过设定值时，开关管导通，电阻R1与直流侧构成回路从而会消耗掉电路中额外的电能。除此之外，还可以看到在整流器的直流端并联着一发光二极管的回路。该二极管不仅可以表示主回路电源是否己接通，而且在电源被切断后可以指示滤波电容是否已完成放电过程。与发光二极管串联在一起的电阻R2是为了抑制过电
压、减少分支电流，保护逆变电路，保证主回路的正常且平稳运行。
逆变电路却是将二相直流电转换成三相变频交流电输入至电机，是主回路的重要组成部分。本文采用智能功率模块IPM作为逆变电路的主体。IPM是将电力电子器件与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内，使装置更趋小型化、智能化[[21]. IPM中的功率器件一般由功率器件IGBT充当。同时IPM内置有驱动和保护电路。驱动电路与功率器件更好地匹配，这使得功率器件工作更加可靠。IPM中的保护电路可以实现控制电压的欠压保护、过流保护、过热保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路的有动作，功率器件栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号。 在矢量调速系统中，采用脉冲宽度调制的逆变电路可降低电路中输出电压的谐波分量，使得电路的输出电压更加趋近于正弦波形。逆变电路里功率元器件的开关频率决定谐波分量，而功率器件的开关频率又受器件的开关时间所控制。在选择逆变电路的功率器件时，不仅要考虑到使逆变输出的电压更加趋近于正弦波形，而且要想方设法降低器件的开关损耗。逆变电路选择的计算如下:
功率器件峰值电压为:U-,=扼Ua=拒x 220 = 311(V)
功率器件电压额定为:U=1.5 x1.1xU,n -1.5 x1.1 x311=513.15(.V)
功率器件峰值电流为:I。一2扬，一2拒x 2.8一7.9(A)
功率器件电流定额为:I=1.5xl.lxlm =1.5.x1.1x7.9=13.035(A) 武汉理工大学硕士学位论文
计算公式中:数值1.1是电容滤波后的电感升高系数:数值1.5为安全裕量。 依据上述计算，本文采用三菱公司的智能功率模块PS21867，完全满足上
述要求。该智能功率模块集电极一发射极电压为600V，直流母线浪涌电压为500V，集电极电流为30A，集电极峰值电流为60A。智能功率模块PS21867采用低功耗的IGBT管;具有完整的功率输出电路，可直接连接负载;内置有栅极驱动电路和保护电路[X261 o IPM PS21867内部的功率器件是高电平触发有效。
应用智能功率模块的时候需考虑STM32芯片的驱动能力和信号的隔离。因为IPM已经自带有驱动电路，所以只需考虑控制信号的光电隔离问题。之所以要加入光电隔离，是为了防止将高压信号引入控制电路，避免逆变器对控制芯片的干扰。本设计中选择的驱动隔离光藕为HCPL4504，是美国安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片。HCPL4504的响应时间小于0.3 ps，内部集成高灵敏度光传感器，极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关死区时间确保了安全[271。图4-2中，画出某一相上桥臂信号的PWM信号通过高速光藕HCPL4504输入至逆变模块IPM，其他各相上下桥臂信号的连接与此相类似。P是指三相的上桥臂，n是指三相的下桥臂。不过，各相所使用的控制电源不是同一个。上桥臂三相每相都是使用各自独立的电源，三个电源分别为V2+/V2G, V3+N3G, V4+N3G，而下桥臂三相共用同一组电压源V1+NlGo一路PWM信号输入
图3-2 IPM六路PWM信号输入连接图
逆变器IPM需要四组隔离的驱动电源，其中每相的上桥臂单独使用一组电
源，三相的下桥臂共用一组电压源。这么设计是为了消除IPM中功率器件相互
之间的电磁干扰。IPM的控制电压和驱动电压正常工作时的电压值范围在
13.5V-16.5V之间。若控制电压的供给低于规定值且时间超过设定值，则发生 欠压保护，就要封锁门极驱动电路，输出故障信号;若电压超过设定值，芯片武汉理工大学硕士学位论文可能会烧毁。若驱动电压低于设定最小值，那么IGBT不能够导通;若驱动电压超过设定最大值，保护电路的效果会不断减弱。假如驱动电压远超16.5V,那么功率器件IGBT会被击穿[ZS]。一般情况下，IPM的控制电源和驱动电源的值设为15V. JS158是专为使用IPM作为逆变装置设计的开关电源。具有独立8路输出，输入电压范围宽，保护全等优点，适合变频驱动器。8路输出管脚V1+/VlG, V2+/V2G, V3+/V3G, V4+/V3G提供四组15V电压信号，分别至IPM的驱动和控制电源接口的正负极。IPM的驱动电源接口分别是:Vufb/Vufs,Vvfb/Vvfs, Vwfb/Vwfs，控制电源接口Vpl/Vpc, VnINnco
由图4-3可知，栅极驱动与主电路相连，主电路中通常有很大的浪涌电压，会导致功率回路产生感应电压，使得原本已经截止的功率器件IGBT导通。因此，需要在直流母线间增加一吸收电容。
┌────┐
┌─┤Vp1 P │
┌───────────┐ │、│ Vufb │
│P V2+ ├─────┼─┤ Vufs │
│N V2G │1上 │、│Vpl u │
│ V3+ │丁下 │ │ Vvfb V│
│ V3G ├─────┼─┤ Vvfs w│
│ .75158. │ │ │ I尸人7│
│ V4十│ ├─┤Vp1 │
│ V4G │┌──┐ │. │ Vwfb │
│ V1+ ││n │ │、│ Vwfs │
│ V1G ││厂1 │ │、│ Vn1 N │
│ │└──┘ ├─┤ Vnc │
│ │ │. │·Vpc │
│ │ ├─┤ │
└───────────┘ │，│ │
│、│ │
│、│ │
├─┤ │
│ │ │
└─┤ │
┌──┤ │
│ │ │
└──┤ │
└────┘
图3-3智能功率模块IPM控制电路图
3.3电流检测电路
在矢量控制系统中，控制器需要及时准确地知道电机绕组中的实际电流值，以实现电机控制。实时、准确、可靠地电流采样电路，可以提高电机控制的精度。电流检测可选用的元器件种类很多，霍尔电流传感器是目前普遍采用的。霍尔传感器的特点是测量精度高、线性度好、电隔离性能好以及响应速度快。武汉理工大学硕士学位论文霍尔电流传感器有磁平衡式和直测式两种形式，磁平衡式的响应速度较快，输出形式为电流源，一须经电阻转换
成电压信号;直测式的响应速度较慢，输出形式为电压源，不需要转换电阻
[[29]0
电流采样电路的主要功能是将霍尔电流传感器检测得到的定子电流信号进行硬件滤波、幅值调整、偏移量调整、限幅后送给调速控制系统的控制芯片STM32的A/D转换口。由于永磁同步电动机定子三相常接成星型，且中点悬空，三相中只有两相独立，故电流采样电路只需要检测定子两相的电流，另外一相的反馈电流值等于测到的两相电流值相加取反的值[[30]。由永磁同步电机的数学模型可知，定子电流检测的精度和实时性是整个调速控制系统精度的关键。本系统采用LTS25-NP型传感器来检测反馈电流。该传感器有正极(+5)、测量端OUT、接地端。该传感器是闭环霍尔电流传感器，使用霍尔器件作为核心敏感元件。由两个霍尔传感器检测a, b相的电流，得到电流瞬时值，经转换电路，变成0-3.6V的电压信号。经ARM的模/数模块再做标量处理，将采样值换算成相应地数值保存至数值寄存器。图4-4是电流检测反馈电路。
电流
检测
输入
STM32的AID口
图3-4电流检测反馈电路图
图3-4中，电阻比值R刀R1决定幅值调整的倍数，将输入电压幅值增大2倍。电阻R3=R4，电压信号vREF+来自STM32的ADC模拟输入参考电压输入端，为3.6V。这样当检测输入信号为零时，检测输出为魄F、的一半1.8V。
目的是负反馈过来的电压值正向偏置1.8V。二极管D1, D2用来实现电压限幅，输出电压值范围在0-3.6V。电阻R2和电容C1实现硬件滤波。
虽说通过霍尔电流传感器也可实现强弱电的隔离，但是在实际的应用过程中，传感器检测输出端仍旧会伴有一些开关噪声，究其原因是:当原边被测导体所在桥臂的功率器件开关状态发生变化时，电位发生突变这会通过霍尔电流传感器原副边间的电容和电感等元器件祸合到副边。因为硬件滤波不能有效地将其消除掉，所以为解决问题需在缘边导体穿过霍尔电流传感器的地方，用铜皮在原边导体绝缘层外边环绕一周，并将其和装置的金属外壳相连。
3.4转子速度检测
测速环节是速度闭环控制系统的关键。电机转速检测的精度将直接影响调 速控制系统的稳定性和控制精度。增量式光电编码器是电动机控制中常用传感器，实际上是由脉冲发生器及相应电路组成的[[311。增量式光电编码器的转轴每转动一圈，会输出一定数量的脉冲，用于测量电动机输出的角位移和转速等信息，作为闭环控制的反馈量。正弦波永磁同步电动机转子的位置及转速是通过增量式光电编码器连续测量获得的。增量式光电编码器输出的转子位置信号经控制电路处理，放大后按一定顺序驱动三相桥式逆变器中主开关器件的通断，使得永磁同步电动机在定子三相绕组中产生同步速的定子圆形旋转磁势和磁场。该旋转磁势和磁场就会拖动永磁体转子以同步速旋转。 测速的方法选择测频法。测频法是:在一定时间间隔T内，对脉冲个数进 行计数，从而通过脉冲个数与时间的比值计算转速[[3210
本文采用的是CHA-1-50BM-G05E增量式光电码盘，线数为500，每转会产生2000个脉冲。增量式光电编码器的输出波形如图3-5所示，A, B为编码
器输出信号，Z为参考信号。如果通道A相位超前，参考信号为高电平，码盘就以顺时针旋转;如果通道B相位超前，参考信号为低电平，那么码盘就是以逆时针旋转。因此，如想同时获得旋转的位置和方向信息，监控脉冲的数目和信号A, B之间的相对相位信息即可。
设置电机控制芯片STM犯通用定时器TIM2为编码器接口模式，两个输入端口 TL1和TL2做为增量编码器的接口。假定计数器己经启动，则计数器由每次在TLIFP1或TL2FP2上的有效跳变去驱动。TLIFP1或TL2FP2是TL1和TL2在通过输入滤波器和极性控制后的信号。根据两个输入信号的跳变顺序，产生了计数脉冲和方向信号。依据两个输入信号的跳变顺序，计数器就会向上或向下计数，同时会对TIM2 CRl寄存器的DIR位进行设置。在任一输入端TL I或TL2上的跳变，计数器都会重新计算DIR位。当定时器配置成编码器接口模式时，提供传感器当前位置的信息。使用第二个配置在捕获模式定时器TIM3测量两个编码器事件的间隔，可以获得动态的信息一转子电角度和速度[3310
-019研叫卜一-
一T”::
图3-5增量式光电编码器的输出波形
转速电角度就等于定时器TIM2两次计数的差值除以2000再乘以电机磁极
对数。为了计算电动机的转速，必须统计一个采样周期内的脉冲个数。假设第
一次TIM2 ARR的值为已，而氏为第二次TIM2一RR的值，则有以下四种情 况:
(1)当电动机正向旋转的时候，方向信号DIR=0，若0z > ei，有△0=久一已:
(2)当电动机方向旋转的时候，方向信号DIR=1，若久
(3)当电动机正向旋转的时候，方向信号DIR=0，若久
(4)当电动机反向旋转的时候，方向信号DIR=1，若久>已，有A0=4P一(0:一01)。
中断定时器TIM8的周期T是转速计算周期。设在该时间T段内，定时器T2的计数值的增量为△0，输出的脉冲个数为P个/转，则电动机转速: 60A0
n=—
PT
(r/min)
(3-1)
3.5 IPM的保护电路
逆变器件IPM内置有保护电路，可实现控制电压欠压保护、过流保护、过热保护和短路保护。若供电电压低于规定值则发生欠压保护;在IGBT芯片的绝缘板上安装了一个温度传感器，当温度传感器测出其板子的温度超过规定温度值时则发生过热保护;如流过IGBT的电流值超过规定过流动作电流则发生过流保护，只要是上述任意一种保护动作发生，IPM都会封锁门极驱动电路，输出故障信号[[3a] 0 IPM Fo管脚发出的故障信号输入至STM32，由芯
片STM32武汉理工大学硕士学位论文执行相应的保护。为保证控制系统中的智能功率模块IPM安全地运行，STM32提供了紧急故障输入引脚BRK。当BRK引脚由使能位使能，STM32立即关闭6个PWM输出并且产生中断。通知芯片内核有异常情况发生，系统会立即停止运行。这样就起到保护芯片STM32和IPM的作用。
VII
BKIN口
IPM的F。管脚
图3-6 IPM的保护电路
4 系统开发软件及设备驱动程序设计
4.1前言
硬件是基础，软件是灵魂。配置好的系统，就要有良好的软件支持。如果 编写的软件不能够使硬件的功能按照设计的想法得以实现的话，那么设计出来的软硬件系统注定是失败的。现如今，硬件规模越来越趋向于模块化，因此因硬件问题而对系统稳定和精度造成的影响也在逐渐的减小，而软件对系统性能提高的重要性也越发凸显，可以说软件的健壮性直接影响系统的性能。
永磁同步电动机调速控制系统软件的设计应满足实时性、稳定性和可靠性三大要求。在电机的控制系统软件设计中，需在一定的时间限制内，完成对永磁同步电动机的被控量的采集和处理以及输出控制。本节详细叙述了调速控制系统的软件设计方案。矢量控制系统软件设计的思路:通过增量式编码器得到电机的电角度和实际转速，将电机实际转速值与速度的给定值相比较，经速度调节器输出可得一电流值，该值经过矢量坐标变换再与通过霍尔传感器得到的电机实际三相电流值相比较，经电流调节器调节后再与三角波比较，产生PWM输出信号
软件的功能可分为以下几部分:
(1)系统、变量的初始化，转子位置的初始化，I/O口初始化;
(2)速度环数字PI调节器，电流环数字PI调节器的软件设计;
(3)电机转速和电流反馈的计算;
(4)正弦脉宽调制算法SPWM的实现;
(5)各种故障中断服务程序的处理。
4.2主程序设计
本文中，控制系统软件可为两大部分:主程序和中断服务程序。主程序中 包括I/O口初始化、中断初始化、定时器初始化和等待程序。中断服务程序是指高级控制定时器TIM8控制的下溢中断子程序。定时器中断程序是整个控制算法的核心。在一个定时中断周期内，软件依次检测转子位置、计算电动机转速、完成定子电流的采样和计算、实现速度环和电流环的调节、将变量坐标变武汉理工大学硕士学位论文换，生成PWM控制信号。定时中断服务程序
中，电流信号的采集和转换，PWM控制信号生成的流程如下:STM32的AA〕转换器将采集到电机a, b两相电流信号的模拟信号转换为数字信号，同时根据三相电流的相位差值恒为1200，可以计算出该时刻电机另一相电流的幅值和相位[36-37]。该实际输出电流与指令电流进行比较的偏差值经过电流调节器，并将调节器的输出信号与三角波比较，产生PWM波，控制逆变电路功率器件的通和断开，进而实现对电动机的控制。一般来说，主程序在运行过程中会不断地被定时触发的中断服务程序打断。
主程序作为辅助在中断服务程序的执行间隙中运行。中断服务程序必须在中断入口保护好现场且在中断出口恢复好现场，同时中断服务程序的执行时间需要精心地计算，要求不得占满整个定时中断周期，需留下一部分的中断周期，否则容易中断服务的执行时间大于定时中断周期的问题。进入中断子程序
图4-1主程序流程图
矢量调速控制系统每次复位后首先进入的都是初始化程序。初始化设定完成之后，软件就会进入主程序中的循环等待时间，在这期间软件读取一些外部给定值，一旦有中断到来则立即进入中断服务程序，执行中断服务。 图S-2中断定时器流程图
4.3 SPWM控制信号的程序设计
文章中的永磁同步电机矢量控制系统采用正弦脉宽调制方法驱动逆变功率模块IPMo SPWM法的基本思想是使输出的脉冲宽度按正弦波规律变化，可有效抑制输出电压中的低次谐波分量使得转矩脉动变小，从而可大幅度地去扩展电机的调速范围[[38]。在硬件调制法中，SPWM控制方法是通过正弦
调制波与三角载波确定功率器件的导通与关断生成PWM波。而规则采样法是在此基础上改进过来的。对于三相桥式逆变电路，应形成三相脉宽调制的波形。通常情况下三相的三角载波是合用的，三相调制波的相位依次差相差1200，这是一个严格的永远不会改变的相位差关系，因此只需计算其中某一相的波形，然后采用移相的方法就可得到其他两相的SPWM波形。以a相为例，如图5-4示，当调制波信号的幅值大于载波信号的幅值时，a相绕组电位为高电位;反之，a相绕组电位为低电位。规则采样法是波形发生器通过编程方法实现的，在三相电动机变频调速系统中，采用此种方法可以使得PWM波产生的谐波分量相对而言比较小。所谓不对称规则采样法，是指既会在三角波的顶点位置又会在底点位置对正弦波进行采样的方法，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，可以用软件之间计算两个波形的交点时刻，还有在一个三角波的周期内，采样点的位置是不对称的如图5-3所示[[39]。在这里，采样周期TS是三角波周期T,的1/2即有兀=兀/2。根据图4-3，可得:
{toffl
{tonl
T,一。
4
T
~~二‘十a
4
}!一
}tong
T,一b
4
T}+。
4
(5-1)
图4-3
由相似三角形的相似关系，不对称规则采样法可得出a, b两段的采样时间: “二
T, U, sin ootl
4U,
(5-2)
b_T,U, sin tote
4U,
(4-3)
又有正弦调制波与三角载波的调试比M = U, /U,，式中的U。为正弦波最大 幅值，U，为三角载波最大幅值，则有:
}
tonl一Tc(1+禁wtl)4
t。。2 Tc (1+Msin(ot2)one = 4
千T (1一M sin wt,
}t_二，=—
J-ii‘_4_
}Z二(1一M sin wt,)
I t_-1=—
tTj‘4
(4-4)
不对称规则采样生成的PWM波的脉冲宽度为:
T
‘一‘onl+ton，一寸
[
1+竺
2
(sin。，十。in。，，))
“」
(5-5)
式((5-5)中，兀是采样周期，。是正弦调制波角频率，且有。=2磷。假设三角载波与正弦调制波的载波比N=fr/fc，fr为三角波载波频率，fc为正弦调制波频率，则有:
ot,一27z-f, k Ts一、1二
2
f, k1二
f,
(k1=0, 2, 4...... 2N-2) (5-6)
。，一21cf^kTs一k，二
2
fck2二
f, N
(k2=1, 3, 5...... 2N-1) (5-7)
丑
t,一‘onl十‘on，一寸
〔
，M
1十—
(sin cotl‘s，一，」一Tc2
，M
I十—
，.k,二.kl)几1
Lsin了十sin亨，」
(4-8)
式(4-8)中，k1生效时为顶点采样，k2生效时为底点采样。为了能按上 述各式计算出SPWM波的开关时刻，必须确定采样周期双、调制比M、载波 比N以及采样点的三相正弦函数值。
图4-4脉冲宽度调制信号流程图
4.4电流采集程序设计
电流霍尔传感器采集到的电流经采样电阻变为电压信号，继而通过硬件滤波、幅值调整、偏置量调整、限幅后送给ARM的A/D转换口。输入至.STM32A/D口的电压范围值为0-3.6V，实际上是偏置后的值。控制芯片STM32在对其进行数字量化时，要先消除偏移量的影响，之后才对电流数字信号值进行坐标变换。欲使用STM32的A/D口，应该在系统初始化时使能A/D时钟。之后才可对模拟/数字转换口进行相应地操作。电流采集电路的流程图如下图5-5所示。电流检测电路的模数转换过程中采用连续多次求平均值的方法获取采样值，提高电流采样的精度。
┌─────┐
│计算电流值│
└─────┘
图4-5电流采集流程图
4.5坐标变换的程序设计
坐标变换是为了实现交流电机直流化控制的重要方法。我们将给定的三相 电流值，采用功率不变约束的坐标逆变换方式，使得电动机三相实际电流iQ , i6武汉理工大学硕士学位论文
和il变换到dq坐标系的电流id和'q。这样我们就可以在dq旋转坐标系下实现对电机的控制(控制id和i。的幅值和相位)，从而实现控制三相定子电流的幅值和相位[[40]。在坐标变换的过程中需要用到角度的正/余弦值，正/余弦值可通过查STM32控制芯片中寄存器里的表来确定。而这些值是做成表的形式保存于STM32的寄存器中。坐标变换的具体公式参考第2章节的式(2-10)0 开始读取转角位置、转子电流查sin, cos表坐标变换计算返回
图4-6矢量坐标变换流程图
4.6 PI调节器的程序设计
永磁同步电动机矢量调速控制系统是双闭环设计:速度环和电流环。速度 环作用是提高系统的动态特性和抗干扰性能，同时要抑制速度波动。电流环的
作用是:限制最大电流，使系统有足够大的加速转矩，在电机过载的时候，限 制电枢电流值保护电机。在速度环和电流环的控制中，反馈信号必须实时随着给定信号的变化而变化[[41]。本文中的速度环和电流环均采用了PI调节器，可由控制芯片STM32通过软件编程予以实现，不断地将反馈信号与给定信号进行比较，求出它们俩之间的差值。比例调节器的功能是对偏差作出快速反应，调节器必须控制偏差量向着减小的方向变化。积分调节器的作用是消除
稳态偏差，提高精度。在调节的过程中，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会不断增大。它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直至零值，使整个系统在速度指令信号不变的条件下趋于稳态。采用ARM控制电动机，可不再使用模拟PI调节器，取而代之的是数字PI调节器。模拟PI控制器的控制规律为:
u(t，一Kp“·(/，·会f e(t)dt“一
(4-9)
式((4-9)中:e(t)为PI调节器的输入，U(t)为PI调节器的输出，Kp为比 例系数，Ti为积分常数。
对模拟PI控制器的控制规律做离散化处理可得数字PI调节器的算法公式:
T
uk=np Lek+下乙e;]+uo
丈 I i=o
(4一10)
式((4-10)中:T为采样周期;k为采样序号，k = 0,1,2一;u、为第k次采样时刻的输出值;e、为第k次采样时刻输入的偏差值;K，为积分系数，K，二Kp/兀;u。为开始进行PI调节时候的初值。根据上式(5-10), PI调节器的输出可进一步变化。假设第k次采样时刻的输出值增量为:Auk = u、一uk_1 =Kp(e、一ek_I ) + TKI ek。可得u、二uk_I + K p (e、一ek_I ) + TKI e、或是uk = uk_，十凡e、十Kzek_I。上面两式中:uk_，为第k一1次采样时刻的输出值，ek_，为第k一1次采样时刻输入的偏差值，K,、K:是积分系数。
K, = K p + TK,·K2 = -K p (4-11)
利用上面的列出式子，可计算出速度环和电流环的PI调节器输出。电流环的参数可由电流环设计中可知，分别是K; = 30; T, = 0.025ms ; Kp = 4.67，代入式(4-11)可求得K, =19.1, K2 --4.67。因此，数字电流PI调节器的输出如式(4-12)0
uk = u、一，+凡ek + KZek_, = u、一，+19.1e、一4.67ek_, (4-12) 速度环的参数由速度环设计中可知，Kr =KS =3.39; T, =TS二2.5 x 10-4 ,代入式(5-11)可求得K, =13.9;K2=-3.39，因此，数字速度PI调节器的输出如式(5-13)0
uk = u*一，+ K, ek + k2 ek_, = uk_, + 13.9e、一3.39ek_, (4-13)
5永磁同步电机矢量控制系统的仿真
5.1前言
为了验证已设计的永磁同步电动机矢量控制系统，利用MATLAB/Simulink仿真工具建立基于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，并得出了仿真结果。整个仿真模型系统包括下面几个部分:
(1)永磁同步电动机的仿真模型和电机参数测量模块;
(2)电机给定电流从旋转坐标系向静止坐标系转换的坐标变换模块;
(3)电流环控制模块;
(4)直流电变换为交流电的逆变模块。
本次仿真实验中正弦波永磁同步电动机使用的是MATLAB/Simulink仿真工具SimPowerSystems库中Machines子类里提供的永磁同步电动机的模型，
此模型为定子绕组星型连接的三相永磁同步电机模块。永磁同步电动机的参数可通过电动机模块的参数对话框来输入。该模块有四个输入端分别是三相输入端A,B, C和负载转矩输入几[42]。测量转子旋转位置、电机电磁转矩和三相电流等电机运行参数的测量模块也可以在Machines子类中找到并可以拿来直接就能够使用的模型，该测量模块可以直接测出电机转速、电磁转矩、定子电流等等电机的运行参数。
5.2坐标变换模块
矢量控制的基本思路是将三相静止坐标系下的定子电流is , i。和i。通过克拉克变换即三相/二相变换等效成两相静止坐标系下的交流电流i。和is，然后再经转子磁场定向的帕克变换等效成两相旋转坐标下的电流i、和几[43]。上述变换的逆过程即为dq/ab。坐标变换。坐标矢量变换的设计如图5-6。基于坐标变换公式，可以使用仿真工具提供的功能模块搭建一个坐标变换的仿真模型如图6-1所示。因为永磁同步电动机调速系统采用id = O的矢量控制方式，所以在仿真的时候d轴方向的电流输入需要恒定地设置为零值。图中U为转子的电角度。
图5-1坐标变换仿真模型图
5.3电流环控制模块
本文采用三角载波比较方式的电流滞环控制方案。即把指令电流与经过矢量坐标逆变换的永磁同步电机三相定子的实际电流值进行比较，求出偏差电流，通过电流调节器后再和三角波信号进行比较，产生PWM波控制逆变电路中各功率开关器件的通、断。三角载波信号可以直接使用MATLAB中的信号发生模块来生成。电流环中的电流数字调节器的设计参考章节5.6 0
图5-2电流环控制模块
5.4逆变模块
逆变模块采用3对IGBT功率器件，反向并联续流二极管组成。开关器件 的导通与关断均受电流滞环的输出电流控制。同一相上下两臂交替导通，各相
开始导电的角度依次相差1200。在任一时刻，有且仅有三个桥臂会同时导通。 三个桥臂可能是上面一个桥臂和下面两个桥臂导通，也可能是上面两个桥臂和下面一个桥臂导通。总之，每次换流都是在同一相上下两臂之间交替进行的。逆变模块的仿真结构图如图5-3所示。在该仿真模型中，IGBT模型的m端用terminator终止该输出信号。
图5-3逆变模块仿真图
5.5系统仿真与结果分析
在MATLAB/Simulink仿真工具中将所有的模块连接起来，可以得到正弦波
永磁同步电动机矢量控制系统的仿真模型结构如图5-4所示。子系统是由电流 环控制模块和逆变模块组合而成的，内l ab。系统是坐标变换模块，速度环的PI调节器的设计已在前面章节中的速度环数字PI调节器的程序设计完成。矢量控制系统是通过永磁同步电动机的速度反馈信号与给定的速度值比较，差值通过速度调节器作为q轴方向的电流参考量，而d轴方向上的电流值设定为零。这两个参考量加上同步电动机反馈回来的转子角速度通过dq l abc坐标变换，变换为三相定子坐标系上的给定的电流指令值。通过电流控制环，使电动机实际武汉理工大学硕士学位论文输入三相电流与之前得出的给定的电
流指令值一致，在经PWM逆变器，就可实现电动机的转矩控制。理论上，在永磁同步电动机达到稳态的时候，调速系统的实际速度能够实现对给定速度的良好的跟踪【}l0
本次仿真使用的是Simulink/Machines库提供的永磁同步电动机，将其参数按照下面的给定数值设置:电机永磁磁通0.175Wb、电机极对数4、转动惯量1.414x10-3Kg"m2，定子电阻4S2、定子电感7mH，粘性摩擦系数为。、逆变器输入直流电压为160V、额定转速3000rpm o
图5-4永磁同步电机矢量控制系统仿真图
设定在Simulink中仿真时间为0.06s，仿真算法选择odel 5:变步长算法。系统仿真开始的时候，电机是空载启动，而在0.04秒的时候，突加负载转矩3Nma转速给定值设定为700rad l s。利用Scope模块显示电机运行时的各项参数。
图5-5电磁转矩和转子电角速度武汉理工大学硕士学位论文
图5-6 SPWM控制输出的三相定子电流波形
电机的转速、电磁转矩和三相电流的仿真结果分别如图5-5、图5-6所示。由图5-5可知，在电动机刚启动的时候，电机的电磁转矩会迅速攀升到最大的32Nm。过了一小段时间之后，电机的电磁转矩会稳定在3Nm这个正常值上。在0.04秒的时侯，给电机突加一负载转矩3Nm，电磁转矩会有一个小小的振荡过程，之后电机的电磁转矩会稳定在一个1N}”处。还有，转子电角速度。也会快速地稳定到给定转速，并且在突加负载转矩时几乎没有受到任何的干扰。这也验证了前文所提到的在永磁同步电动机达到稳态的时候，系统的实际速度能实现对给定速度的良好跟踪的理论。可以说以这种控制方式来设计
永磁同步电机的调速系统，有较小电磁转矩脉动且良好的转矩控制性能。
6总结和展望
6.1全文总结
由于永磁同步电动机具有能量转换效率高、调速范围广、运行可靠等优点，这使得永磁同步电动机产业得到了迅猛快速地发展。随着永磁同步电动机调速系统越来越多地应用在家用电器、工业自动化以及航空航天等各个领域，对永磁同步电动机控制系统的控制性能的要求也越来越高了，不仅要求控制系统较强的动态响应能力，而且要求系统具有较高的稳态性能和较高的控制精度。因
而研究高性能永磁同步电动机调速控制技术具有重要的理论意义和实用价值。
本文对永磁同步电动机调速控制系统的研究可归结为以下三个方面:
(1)本文在基于永磁同步电动机dq旋转坐标系数学模型的基础上，提出 永磁同步电动机电流调制控制策略。这种控制策略保持电流矢量和转子磁场矢
量垂直关系，以此达到永磁同步电动机的自同步变频调速控制的目的。利用 MATLAB/Simulink中提供的模块模型，建立基于转子磁场定向矢量控制方式的永磁同步电机调速控制系统的仿真模型，其中电流环采用的是三角波载波比较方式的电流滞环模型，速度环采用的是典型11型系统设计。之后即可进行永磁同步电动机调速控制系统的仿真实验，得到仿真实验结果相应地曲线。最后结合调速控制系统的理论，分析并验证仿真实验结果。
(2)电机调速控制硬件系统采用电机专用控制芯片STM32、智能功率模 块IPM、增量式光电编码器以及永磁同步电机构建而成。整个硬件电路包括: ARM控制电路和主回路。ARM控制回路实现电机调速控制的核心算法，这部分属于软件设计。主回路是由逆变电路、电流检测电路和速度检测电路等组成。
(3)在完成系统硬件电路设计的基础上，编写永磁同步电动机调速系统的软件。软件主要包括调速系统控制主程序和各个中断服务子程序，其中中断服务子程序包含电流采集子程序、光电编码测速子程序和PWM波生成子程序等。
6.2展望
由于永磁同步电动机调速控制系统研究内容广泛，限于笔者学术水平限制，文章中难免有错误、缺漏或是需要进一步改进的地方。具体表现在以下两方面:
(1)尝试使用一些其他的电机控制策略、控制理论应用在电机调速控制系 统中，譬如直接转矩控制、模糊控制、滑模变结构控制等。研究控制系统的动态特性以及控制精度与矢量控制策略的控制效率相比较有无提高?
(2)研究如何能够进一步的改进软件控制算法，进一步提高电机调速控制系统的可靠性和准确性。武汉理工大学硕士学位论文
致谢
时光飞逝，三年的硕士生涯即将成为美好的回忆。在此，我向所有帮助和支持过我的老师以及同学们表示衷心的感谢和祝福。
首先，我要感谢我的导师刘皓春教授。感谢刘老师多年来孜孜不倦的教
导。正是在刘老师的谆谆教诲和悉心指导下，学生才能得以顺利地完成硕士论文课题的研究工作。可以说本文的每一章节，都凝集着导师的心血和汗水。导师高深的学术水平以及实事求是的治学态度，均使学生受益匪浅。这些宝贵的经验将对学生今后的工作和生活产生深远影响。谨此，再次向导师致以衷心的感谢。
而后感谢同门师兄弟和同窗好友在学习和生活上给予的热心帮助和大力支持。我的研究工作能够顺利地开展和完成，完全离不开你们的帮助和支持。 最后，再次向所有关心和帮助过我的人致以真挚的谢意