永磁同步电机控制器程序设计

黄永康 韩军良 周泊龙 唐传胜 刘蒙恩 仝飞飞

摘要：本文以微处理器STM32F302作为主控芯片，基于无传感器磁场定向控制（FOC）策略，采用图形化编程技术，在STM32CubeMX和MDK-ARM软件平台上开发了永磁同步电机控制器程序。本设计方法增强了代码的执行效率和可靠性，降低了系统程序开发难度。实验结果表明，系统实现了精确速度伺服控制的功能，为永磁同步电机控制提供了一种有效的技术方案。

关键词： 永磁同步电机;微处理器;图形化编程;磁场定向控制;空间矢量脉冲宽度调制

1引言

近年来，随着科学技术的飞速发展，嵌入式技术和自动控制技术越来越成熟，伺服控制系统向高精度、高性能方向发展。永磁同步电机在伺服控制领域拥有着高精度、高效率的优点，为了降低永磁同步电机控制技术开发的难度，本文采用图形化编程技术，来实现永磁同步电机控制器的快速高效开发。

2永磁同步电机控制器程序设计

本文以微处理器STM32F302作为主控芯片，进行永磁同步电机控制器程序开发。硬件平台为控制板NUCLEO-F302RB和驱动板X-NUCLEO-IHM07M1 3SH组合的硬件系统。为了降低程序开发的难度，采用采用图形化编程技术，基于ST公司的图形化芯片配置工具STM32CubeMX和嵌入式开发工具MDK，进行程序开发。STM32CubeMX 是ST意法半导体公司推出的STM32 芯片图形化配置工具， 允许用户使用图形化向导生成C 初始化代码，支持多种工具链，比如MDK、IAR For ARM、TrueStudio等， 简化了配置各种外设的流程，可以大大减轻开发工作，时间和费用，提高开发效率[1-3]。

在设计中，在STM32CubeMX平台上，把STM32F302的PC13引脚设置为电机运行启停开关，PC0和PC1设置为永磁同步电机的A相电流和B相电流检测的ADC输入通道。把STM32F302的PA8、PA9和PA10分别设置为三相逆变半桥A相、B相、C相的上桥臂开关管的PWM信号输出通道，把STM32F302的PC10、PC11和PC12分别设置为三相逆变半桥A相、B相、C相的下桥臂开关管的PWM信号输出通道。

在MotorControl Workbench平台上，输入永磁同步电机的相电阻RS、相电感LS、电机极对数P和电机反电动势系数Ke，以及采样电阻的大小，并输入速度环和电流环的PID控制参数，用STM32CubeMX生成电机控制的初始化代码。STM32CubeMX电机参数设置图如图1所示。

永磁同步电机采用无传感器磁场定向控制策略，实际程序执行中，磁场定向控制程序在PWM中断程序中执行，所以需要开启中断并设置在中断中执行电机的中断控制程序。把STM32CubeMX生成的初始化程序导入到MDK-ARM软件平台上。在MDK-ARM的工程中主要包含有五个文件夹，Application/MDK-ARM、Application/User、Drivers /STM32F3xx_HAL_Driver、Drivers/CMSIS、Middlewares /MotorControl。其中Application/User是用户文件，包括main.c、motorcontrol.c、mc_api.c、mc_config.c、motor_control_protocal.c、mc_task.c等文件。Drivers/ STM32F3xx_HAL_Driver是STM32F3芯片系列的驱动文件。Drivers/CMSIS是STM32F3芯片系列的底层驱动文件，Middlewares/MotorControl是中间层文件，用来链接驱动文件和用戶文件。

在主函数main.c中，包含了TIM1_BRK-IRQn、ADC1_2_IRQn、USART2_ IRQn、EXTI15_10_IRQn四个中断。其中，TIM1_BRK-IRQn中断函数执行转速闭环控制、电流闭环控制和SVPWM运算等功能。USART2_IRQn断函数执行串口数据接收中断功能，ADC1_2_IRQn中断函数执行电流检测任务，EXTI15中断服务函数执行按键状态检测任务，当检测到电机启停控制键PC13电平状态的变化时，进入中断，根据电平状态，执行电机运行起动函数MC_StartMotor1（）或者电机运行停止函数MC_StopMotor1（）。根据上述设计内容，系统控制程序流程图表示为如图2所示。

3结论

本文采用图形化编程技术，在STM32CubeMX平台上上自动生成芯片硬件抽象层和中间层代码，在MDK-ARM平台上嵌入核心代码，本设计方法增强了代码的执行效率和可靠性，降低了系统程序开发难度，为永磁同步电机控制器开发提供了一种有效的技术方案。

参考文献

[1] 杨晓艳，陈亮. 基于STM32CubeMX的单片机最小系统设计[J]. 数字技术与应用，2018， 36（6）： 149-150.

[2] 罗清龙; 冯敏; 李清涛. 基于STM32CubeMX嵌入式实验教学改革实践[J]. 计算机教育，2018，1： 155-158.

[3] 林宗炮，黄启锋，王洪丽. 基于STM32-MAT的四轮小车控制器设计[J]. 机电技术，2019，6： 36-38.

作者简介：黄永康（1997--）男，河南林州人，学生。

项目来源： 1、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）“新能源汽车变频空调关键技术研究”（182102210458）、“高压、超高压输变电站Cu/Al异种导体一体化研究”（182102210463）;  2、南阳理工学院2018年《传感器与测控电路》课程建设项目;3、南阳理工学院《传感器原理与设计》、《生物化学》“课程思政”教育教学改革试点项目。