基于STM32单片机的PMSM伺服系统设计

苏 潮，吴洪德，陈庆武，邵立伟，黄德皇

（1.中山早稻田科技有限公司，广东 中山 528400；2.中山市北京理工大学研究院，广东 中山 528400）

0 引言

伺服电机驱动行业内，基于永磁同步电机的驱动方案基本都是应用某公司C2000系列微控制器来进行设计[1]。由于市场的因素，该公司C2000系列单片机经常一片难求，或者单价被提升到难以接受的水平，为了产品的稳定生产，必须寻求能稳定供货的单片机进行替代。另外，由于该公司提供了很多现成的电机控制相关的库函数以快速实现功能，虽然在提高产品开发效率上提供了便利，但是也使整个业界产生了技术依赖，对于技术创新和产品升级可能会造成制约。某国际著名芯片设计公司近年来推出32位的M系列微控制器内核，性能优越，各大芯片制造公司纷纷推出基于M内核的32位单片机。其中，以ST公司推出的STM32系列单片机为典型代表，其内部外设资源丰富，主频超100 MHz，有些型号还集成了硬件浮点运算单元，性价比较C2000系列单片机高出很多。本文介绍基于STM32单片机的伺服驱动方案，包含控制算法、硬件设计方案和软件设计方案。

1 基于PMSM的伺服控制算法

1.1 FOC系统框架

FOC（Field Oriented Control）为磁场定向控制，在行业内又称为矢量控制[2]。如图1所示，FOC是一种电机控制方法，通过几种数学和物理上的等效变换和逆变换使被控对象变得简单，控制过程也变得清晰明了。FOC的核心是SVPWM、CLARKE变换、PARK变换及逆变换[3]。具体的数学和物理原理推导过程本文不作详细描述。

图1 基于PMSM的伺服系统模型

1.2 SVPWM模型实现

如图2所示，SVPWM模型的输入量是两相坐标系下的电压信号Uα和Uβ、直流母线电压Udc、PWM信号周期Ts；输出量是三相对应的3组PWM信号[4]。如图3所示，具体分解为3个步骤：第一步，从4个输入量生成3个中间计算量和扇区号；第二步，生成当前所在扇区的2个基本矢量的作用时间；第三步，根据当前扇区号和PWM周期Ts生成3个PWM信号的高电平时间。

图2 SVPWM模型的输入输出

图3 SVPWM步骤分解

1.3 PARK逆变换模型

如图4所示，PARK逆变换模型的输入是Uq、Ud、电角度θ，输出是Uα、Uβ。输入与输出的关系如式（1）所示。

图4 PARK逆变换模型

1.4 PARK变换模型

如图5所示，PARK变换模型的输入是Iα、Iβ、电角度θ，输出是Iq、Id。输入与输出的关系如式（2）所示。

图5 PARK变换模型

1.5 CLARKE变换模型

如图6所示，CLARKE变换的输入是三相电流Ia、Ib、Ic，输出是两相电流Iα、Iβ[5]。输入与输出的关系如式（3）所示。

图6 CLARKE变换模型

2 硬件设计

2.1 设计框图

本系统的硬件设计方案如图7所示，包含模拟信号采集电路、编码器信号接口电路、功率电路、通讯电路和STM32核心电路。电流的采样方式为三电阻串联下管[6]，因为该方式要求在三相全桥的下管充分开通的时刻进行电流采样，所以采样时刻必须能由程序设定，采样花费的时间必须尽量短。因此，为了能又快又准地测量三相电流，需要用到STM32单片机的双ADC同步模式。因为只有2个ADC模块，硬件电路设计时需要注意，在规划U、V、W三相电流时，U相电流信号接入STM32单片机ADC1的其中一个通道管脚，V相接ADC1和ADC2共有的一个管脚，W相接ADC2其中一个管脚。这样每个电流采样周期就可以根据FOC算出来的扇区选择其中两相电流进行采样。三相全桥电路共有3对互补PWM信号，均由定时器1对应外设输出。

图7 硬件设计

2.2 功率电路

本系统的功率驱动电路采用经典的三相全桥逆变电路[7]，图8所示为三相全桥逆变电路中的一相及其驱动电路。

图8 三相全桥逆变器及其驱动部分电路

2.3 电流信号采集电路

对于电流采样，采用三电阻串联方式。如图9所示，3个电阻分别串联下管与地之间，在下管开通的时间内，上管是完全关闭的，相电流全部流过电阻，此时根据测量到的电阻电压值和电阻值便能依据欧姆定律计算出电流值。这里需要引起注意的是，在下管开通和关闭的时刻会产生电流闪变现象，电流采样时刻需要尽可能避开下管开关时刻。此时刻需具备可调节性，另外采样花费的时间必须尽量短。因此，为了能又快又准地测量三相电流，需要用到STM32单片机的双ADC同步模式，此模式下2个ADC同时工作，在一个ADC采样周期内完成两相电流的采集。硬件电路设计时需要注意，在规划U、V、W三相电流时，U相电流信号接入STM32单片机ADC1的其中一个通道管脚，V相接ADC1和ADC2共有的一个管脚，W相接ADC2其中一个管脚。这样每个电流采样周期就可以根据FOC算出来的扇区选择其中两相电流进行同时采样，如何计算出扇区此文不做详细介绍，第三相的电流由基尔霍夫定律计算得出。

图9 电流采样电路

电流流过采样电阻得到的电压信号是交流信号，有正负性，信号电压值也非常小，因此需要对此信号进行放大和整形。如图10所示，方案采用运放构建同相放大器，用3.3 V单电源供电。交流相电流流经采样电阻R0而产生交流微电压信号，此信号的变化会引起运放同相输入端的电压产生相应的变化，再经过放大便可得到0～3.3 V之间的信号。

图10 电流采样放大电路

具体变换计算如下：

通过合理搭配电阻，可以得到最终理想的公式如下：

2.4 外部通讯电路

如图11所示，本方案的对外通讯接口是工业以太网EtherCAT，主要配合上位机实现周期同步位置模式控制。作为EtherCAT总线的从站，采用Microchip公司的LAN9252控制芯片。选用1片STM32单片机来对LAN9252进行配置并承担主控与通讯之间的数据交换，为了实现数据高速传输，LAN9252与STM32单片机之间用16位数据总线进行通讯。

图11 外部通讯电路

3 程序控制流程

软件设计核心流程如图12所示。首先，配置好定时器1，定时器1的作用非常关键，既作为PWM信号发生器，又作为ADC的触发源[8]。ADC用到的双规则同步模式和注入同步模式由定时器1的两路比较器分别触发。ADC的双规则同步模式触发之后启动ADC的DMA模式，进行电压等非三相电流的模拟量采样。完成采样后启动中断，中断程序执行读取编码器数据操作。ADC的注入同步模式被触发之后，启动DMA对三相电流进行采样，DMA完成采样后触发ADC中断。此中断为微秒级、周期性、高优先级的中断，中断响应程序为核心控制内容，关键的核心算法如坐标变换、电流环控制、SVPWM控制都在此中断响应程序中完成。系统还定义了1个毫秒级的中断，用以实现位置环和速度环的控制。

图12 系统程序流程

4 伺服系统控制

4.1 电流环

电流环的给定是Iq值和Id值（通常为0），与PARK变换后的检测值进行比较，然后进行PI运算得到Uq和Ud值[9]。

4.2 速度环

速度环的给定是速度值与根据编码器数据经过M/T法得到的速度检测值进行比较，然后进行PI运算得到Iq给定值。

4.3 位置环

位置环的给定是位置值，与根据编码器数据进行比较，然后进行P运算得到速度给定值。如果需要提高系统的响应速度，可以增加位置前馈控制[10]。如式（6）所示。

位置前馈控制的过程实际是把位置给定量的变化率作为速度给定量的补偿量。实际运行效果如图13所示。

图13 位置环运行曲线

5 结束语

本文的设计方案在算法上通过Matlab仿真得到了验证。该方案最后通过制作PCB电路板，并连接电机、编码器、上位机来进行实际测试验证。实验结果表明，系统的各项功能和性能指标均符合产品设计规格要求，验证了以STM32系列单片机为代表的M系列ARM内核单片机作为伺服电机驱动核心主控的可行性，该方案解决了高性能伺服驱动器的核心控制芯片可选品牌和型号少的问题，也为伺服驱动领域在性能提升、成本降低等方向提供了参考。