基于STM32的交流永磁同步電機驅動器設計

摘要：針對交流永磁同步電機(PMSM)的控制特點，分別從功率電路和控制方法兩方面進行了分析和設計。硬件方面采用先進的智能功率模塊IPM，極大地簡化了電路設計；軟件上應用以Cortex-M3為內核的STM32，其豐富的電機庫函數(shù)降低了研發(fā)周期。FOC+SVPWM方法進一步提高了交流伺服系統(tǒng)的性能，使其具有與直流電機一樣的調速性能。該系統(tǒng)已應用到實際的圓網印花機環(huán)境中。通過實踐驗證該系統(tǒng)具有較強的魯棒性，符合工業(yè)控制的需要。
關鍵詞：永磁同步電機；STM32；FOC+SVPWM

引言
近年來，隨著微電子技術、電力電子技術、現(xiàn)代控制技術、材料技術的迅速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，交流永磁同步電機以其體積小、結構簡單等特點在工農業(yè)、日常生活以及許多高科技中迅速得到了廣泛的應用。因此，研究設計高精度、高性能的永磁同步電機成為現(xiàn)代電伺服驅動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。
伺服驅動器按照功能特征可分為功率板和控制板兩個獨立的模塊，本文在分析交流永磁同步電機控制性能的基礎上分別對控制單元和功率驅動單元進行了具體的設計?？刂茊卧鳛樗欧到y(tǒng)的核心，要求有較高的性能，為此，論文采用意法半導體推出的STM32作為控制核心芯片。它是基于ARM先進架構的Cortex-M3為內核的32位微處理器，主頻可高達72 MHz。強大的內核及其豐富的外設使其在馬達控制應用領域得到廣泛的使用。功率驅動單元應用了IPM(智能功率模塊)，與以往的IGBT相比較，IPM FSAM20SH60A內部集成欠電壓、過電流和溫度檢測等保護電路，簡化了伺服系統(tǒng)單元的設計，實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的模塊化和微型化。

1 PMSM伺服系統(tǒng)的基本構架
PMSM控制系統(tǒng)的原理構成如圖1所示，它包括主電路、伺服控制單元、功率驅動單元、保護單元以及信號反饋采集單元。

伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等。STM32 Cortex-M3以其價格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點成為伺服驅動系統(tǒng)的控制核心的一種趨勢。功率驅動單元采用以智能功率模塊IPM為核心設計的驅動芯片，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能及時進行自我保護，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號經過反饋傳輸?shù)絊TM32內部，進行精確、快速的處理后輸出，以實現(xiàn)各個部件的實時性控制。在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。

2 伺服驅動系統(tǒng)的硬件設計
功率驅動模塊作為伺服系統(tǒng)的強電部分包括兩個單元：一是開關電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源，二是功率驅動單元IPM用于電機的驅動。功率版的設計中包括6個硬件保護功能，分別是單相過流(正反向電流)保護、母線過流(正反向電流)保護、剎車過流(正反向電流)保護、母線過壓保護、母線欠壓保護、溫度過高保護。每路保護都有LED報警顯示，同時為了增強可靠性，保護發(fā)生后都會分別給MCU和柵極驅動器發(fā)送關斷信號，保護功率器件IPM，防止元件的損壞，而且該信號必須要求單獨的復位信號才能取消，否則保護電路會一直起作用，防止誤操作損壞設備和影響人身安全。
2．1 TOP—Switch開關電源
由TOP—Switch系列芯片構成的應用電路具有最低的成本和元器件數(shù)目，AC／DC轉換效率高達90％，芯片內部還集成了自動復位啟動和限流功能電路。為了實現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全保護，芯片內部還具有一個觸發(fā)式熱關斷電路，可構成反激式、正激式、升壓式和降壓式結構的電源電路。本文采用TOP-222芯片設計了一款反激式開關電源，輸出4路獨立+15 V電源為逆變器的上下橋臂提供控制電源，保證逆變器的穩(wěn)定工作，通過穩(wěn)壓管可轉換成電路中其他器件提供所需的工作電壓。