stm32f1系列微控制器的功能模块（轻松玩转stm32微控制器）

逆变器是利用功率半导体器件的通断功能将工频电能变换为另一频率的电能控制装置。可实现交流异步电机的软启动、变频调速、提高运行精度、改变功率因数以及过流/过压/过载保护等功能。变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，应用广泛。变频器的作用是改变交流电机电源的频率和幅值，从而改变其动磁场的周期，达到平滑控制电机转速的目的。变频器的出现简化了复杂的速度控制。变频器与交流鼠笼感应电机的结合，取代了大部分只能用直流电机才能完成的工作，减小了体积，降低了维护率，使传动效率更高。技术已经发展到了一个新的阶段。本文将探讨基于ARM的标准微控制器如何打破长期被DSP和FPGA垄断的市场中的复杂控制模型。我们将以意法半导体基于Cortex-M3内核的STM32系列微控制器为例来讨论这个过程。

功率小于300 W 的小型电机用于许多应用，例如汽车、打印机、复印机、纸张处理机、工厂自动化、航天和军用车辆、测试设备和机器人。总体而言，电机的输出与其功率近似成反比，这意味着小型电机的输出远远超过大型电机。应用最广泛的小型电机有直流电机、无刷直流电机、步进电机等。

步进电机、直流电机和无刷直流电机之间的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是步进运动的，而直流电机和无刷直流电机通常采用连续运动的模拟控制方式。由于步进电机步进移动，因此特别适合绝对寻址应用。目前市场上常见的步进电机已经可以提供每步1.8或0.9的精确运动能力。步进电机采用直接控制，其主要命令和控制变量是步数位置；相反，直流电机使用电机电压作为控制变量，位置或速度作为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，间接控制电机位置，而步进电机系统大多以“开环”方式进行控制。

直流电机是最常见、最便宜的小型电机，用途广泛。无刷直流电机声称具有更高的可靠性、更低的噪音和成本，但到目前为止，它们只能在少数生产应用中取代传统直流电机，例如磁盘或计算机风扇。在某些应用中，无刷直流电机比传统有刷电机具有许多优势。例如，他们用电子元件和传感器代替电刷，这不仅延长了电机的寿命并降低了维护成本，而且还消除了电刷产生的噪音。直流电机的特性使其成为速度控制系统中最容易使用的电机。 （

励磁电流与直流主磁通（PMSM电机中的磁通）有关，而90移相电流可以控制扭矩，功能上相当于直流电机的电枢电流。当负载变化时，磁场定向控制方法可以实现精确的速度控制和快速响应，让定子磁通和转子磁通保持完美的90度相位差。即使在瞬态运行环境下，仍能确保优化的能源效率。这是实现以电机拓扑为标志的更复杂控制方法的基本理论框架，特别是对于PMSM 电机。该理论是无传感器电机驱动的基础，可以显着降低成本（不再需要速度或角度传感器）和相关布线），同时还提高电机可靠性。在这种情况下，必须仅使用电机的数学模型、电流和电压值来计算估计转子角位置。当最小转速仅为几百转/分钟（在某些情况下是静止的）时，这种状态观察器理论（以及其他控制方法）可以实现无传感器速度控制。

然而，这对CPU 来说是一个额外的实时负载。最后，微控制器必须以1KHz到20KHz的速率不断重新计算矢量控制算法，具体取决于最终的应用带宽。处理Parke 和Clarke 转换以及实施多个PID 控制器和软件锁相环确实是数字密集型工作。计算，这就是过去使用数字信号处理器、微处理器或FGPA 设备作为控制器的原因。

尽管专用双模控制器和低端定点DSP架构已经问世，但意法半导体仍然选择使用Cortex-M3内核来开发STM32微控制器。该解决方案非常适合满足各种无刷电机驱动器要求，并且使用行业标准ARM 内核和标准微控制器，从一次性工程费用的角度来看具有成本效益的优势。

该32位RISC基于哈佛架构，采用Thumb2指令集，提供16位和32位指令。与纯32位代码相比，该指令集可以大大提高代码密度，同时保留原始ARM7指令集的大部分优点（额外优化的乘法和加法运算以及硬件除法指令）。电机控制系统要求微控制器具有出色的实时响应能力（中断延迟短）、纯处理功能（如单周期乘法）和出色的控制性能（在处理非顺序执行流和条件传输指令时）。 Cortex-M3 满足所有这些要求。例如，当时钟频率为72MHz时，永磁电机的无传感器磁场定向控制在25s内完成，相当于10kHz采样率下CPU负载的25%。

意法半导体扩展了32位STM32微控制器(MCU)支持的电机矢量控制函数库，增加了对单旁路无传感器控制、内置永磁(IPM)电机控制和永磁同步(PMSM)电机弱磁的支持。控制算法。目前市场上约有40 种电机控制应用使用意法半导体基于Cortex-M3 的STM32 微控制器。在现在可供设计人员使用的新算法中，单旁路电流感应支持仅需要一个电流感应电阻器，与需要三个电阻器的常见无传感器控制机制相比，可以节省更多的系统成本。单通道电流检测是意法半导体开发的专利技术，具有直流母线电压利用率高、电流失真小、可闻噪声低等优点。通过添加“最大化扭矩电流比”（MTPA）控制算法，扩展的函数库为设计人员提供了更大的设计空间自由度，使他们能够灵活定义无刷IPM电机的电气参数以满足实际应用。对电机高功率密度和高速性能的需求。基于这些新算法，开发人员可以充分利用STM32丰富的电机控制外设，包括STM32集成的两个三相PWM定时器，允许一个微控制器同时控制两个无刷电机。通过打破一个微控制器控制一台电机的规则，使用STM32 的设计人员可以节省成本、减小设计尺寸和功耗，而不会对性能产生任何影响。微控制器中集成的三个模数转换器支持三重采样保持电流捕获，以实现高精度电机驱动。由于STM32采用先进的ARM Cortex-M3 CPU行业标准架构，用户在STM32上开发电机控制解决方案时可以节省时间，而不是使用企业专有架构。

即使是最复杂的算法也几乎没有能力纠正不准确的模拟测量，但在某种程度上，电机驱动系统的整体性能取决于模数转换器的质量。 STM32F103芯片内置3个12位模数转换器，采样率为1MSps。在整个温度和电压范围内，总不可调误差(TUE) 小于5 LSB。模数转换器的数字接口具有三个主要功能：第一，将CPU从简单的控制任务和数据处理中解放出来；第三，将CPU从简单的控制任务和数据处理中解放出来。其次，连接芯片的其余部分（中断请求、DMA请求、触发输入）；最后，使STM32多路复用器同步运行。

在这些对无刷电机控制有用的功能中，我们首先考虑通道读取定序器。与传统的扫描电路（根据模拟输入序号依次转换一定数量的通道）相比，在16个转换通道的序列内（例如：Ch3、Ch3、Ch0、Ch11），定序器可以在任意一个通道中进行排序。阶数转换通道，当设计者在设计印刷电路板时，该功能为设计者带来更高的设计灵活性。为了平均转换的目的，允许对同一通道进行多次采样（在一个序列内）。当整个序列转换完成后，DMA通道将转换结果发送到RAM，中断处理程序产生中断请求。

在检测电机相电流的过程中，功率开关上的瞬态电压产生的噪声（在离线开关应用中，典型噪声达到数百V/s）是造成读数误差的重要原因，可能导致测量不良结果。信噪比非常低。解决方案是将模数转换器与控制功率级的定时器同步：由于换向时刻可以预先确定（由3 个PWM 定时器的比较寄存器定义），因此可以在稍早之前使用一个额外的比较通道。或稍早于换向时刻。触发模数转换操作后。为此，STM32启用了第二个定序器（也称为注入定序器），它比普通定序器具有更高的优先级，并且可以用无法延迟的新转换操作替换当前的转换操作。打断。通常，普通定序器负责“内部管理”转换，连续检测温度或直流总线电压（作为后台任务），然后通过DMA 通道发送到RAM，而注入定序器将处理时间关键的转换操作，并将转换结果存储到模数转换寄存器中（将产生中断，但不接受延迟）。

拥有能够执行高级电机控制功能的通用微控制器是一回事，但开发一个简单的入口点则是另一回事。这个问题的两个方面都可以使用软件和硬件工具来解决。首先是拥有一套用于电机控制开发的入门级工具，包括测试工具（JTAG 探针和光隔离器）、微控制器芯片、功率级电路板和演示PMSM 电机。这套工具用于产品性能评估和开发目的。模块化设计有助于升级演示应用（例如双电机控制微控制器板）以评估多个（或定制）功率级。最后，意法半导体向STM32客户提供免费的电机控制软件库。电机控制软件库2.0 版使用头文件中简单且廉价的#define 声明列表来支持各种配置。

该软件库包含用于交流感应电机和同步电机的磁场定向控制算法。为了简化代码的可读性和可维护性，这些算法都用C编程语言编写，再次证明了现代编译器的效率。该软件库还为PMSM 电机提供了强大的无传感器控制算法（基于磁通观测器），以及用于超快内部永磁电机(IPM) 的专用控制算法。当然，该软件还支持常见的速度和位置传感器（增量编码器、霍尔传感器或速度传感器）。 STM32 通过使用隔离传感器或分流器支持三种电流感应方法。 STM32 外设支持创新的单电流感应方法，利用最低成本的配置（简单的独特电阻器）来执行矢量控制。该技术已获得专利，因为它能够最大限度地减少固有电流失真。

意法半导体目前的主要开发项目是无传感器永磁电机控制，以控制电机直至静止，以及具有内置功率因数校正的双电机控制。最近，意法半导体成功演示了一种单电流检测方法，只需一个STM32 微控制器即可执行两个单电流检测矢量控制功能，同时还可以使用40 kHz 控制环路管理PFC 级。

从功率开关分立器件到复杂的片上系统，意法半导体致力于以其独特的产品组合为电机控制市场提供长期支持。 STM32微控制器产品线将继续向四个新方向部署，其中两个适合电机控制。第一条产品线将瞄准低成本市场，开发低端16位电机控制微控制器。另一个产品线是高性能的，针对需要更高处理性能、更大存储容量和高带宽接口的应用。如此广泛的产品组合与Cortex-M3 内核相结合，必将为当前和未来的电机驱动建立STM32 架构的多功能性。

责任编辑：彭静