基於STM32的大扭矩永磁同步電機驅動系統

引言

　　大扭矩永磁同步電機直接驅動由於去掉了複雜的機械傳動機構，從而消除了機械結構帶來的效率低、維護頻繁、噪聲與轉動慣量大等不利因素，具有效率高、振動與噪聲小、精度高、響應快、使用維修方便等一系列突出優點[1].近年來，隨著電力電子技術、永磁材料、電機設計與製造技術、傳感技術、控制理論等的發展，大扭矩永磁同步電機在數控工具機、礦山機械、港口機械等高性能系統中得到了越來越廣泛的應用[2 - 3].

　　交流電機控制系統廣泛採用單片機、DSP、FPGA為控制系統核心。STM32 是一種基於ARM 公司Cortex-M3 內核的新型32 位快閃記憶體微控制器，採用了高性能、高代碼密度的Thumb-2 指令集和緊耦合嵌套向量中斷控制器，擁有豐富的外圍接口，具有高性能、低成本、低功耗等優點[4].本文針對一種港口機械用大扭矩永磁同步電機驅動系統，採用STM32 + IPM 硬體構架設計了高性能、低成本的控制系統。

　　1 大扭矩永磁同步電機矢量控制原理

　　忽略電機的鐵心飽和、渦流及磁滯損耗，不計漏磁通的影響，大扭矩永磁同步電機的電壓、磁鏈、轉矩方程分別為式中，

　　ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分別為永磁同步電機d、q 軸的磁鏈、電壓、電流和電感，Rs為電樞繞組電阻，ωr為轉子角速度，ψf為永磁體產生的與轉子交鏈的磁鏈，Te為電磁轉矩，Pn為電機磁極對數。

　　由式（ 3） ,控制id = 0 使定子電流矢量位於q軸，此時轉矩Te和iq呈線性關係，實現電磁轉矩的解耦控制。如圖1 所示，本文的永磁同步電機採用速度、電流雙閉環控制，圖中ω* 為給定速度指令，ω 為速度反饋，將速度誤差輸入速度控制器，輸出交軸電流指令i*q,通過電流PI 控制器和坐標變換，再利用SVPWM 產生IPM 開關信號。

　　圖1 大扭矩永磁同步電機控制原理框圖

　　2 系統設計

　　圖2 所示為該系統結構框圖， 本文採用STM32F103VCH6 主控晶片、PM800HSA120 智能功率模塊為系統核心，硬體控制系統主要有： 處理器模塊； 檢測模塊，主要包括霍爾電流檢測、旋轉變壓器接口電路； 主電路，主要由整流、軟啟動、濾波、制動電路，以及PM800HSA120 及其驅動、保護、吸收電路組成； 開關電源及其他模塊，主要由多路DC /DC 轉換、直流母線電壓保護、溫度檢測保護等電路組成。

　　圖2 大扭矩永磁同步電機硬體系統結構框圖

　　2. 1 硬體系統設計

　　2. 1. 1 處理器模塊

　　STM32F103VCH6 是基於ARM 公司Cortex-M3 內核的新型32 位快閃記憶體微控制器，擁有三級流水線和分支預測功能，最高工作頻率為72 MHz,可以滿足本系統處理速度和實時性的需求，有兩個高性能的12位的16 通道A/D 轉換器、兩個16 位專為電機驅動設計的內嵌死區控制6-PWM 定時器，片上還集成有SPI、USB 2. 0 等豐富的外設和接口[5].如圖2 所示，本系統充分利用了STM32 的片上資源，利用它來接收、處理電流、位置等反饋信號，接收、處理各種出錯保護信號，執行電機控制算法等。