基于STM32单片机的大扭矩永磁同步电机驱动系统

0 引言

大扭矩永磁同步电机直接驱动由于去掉了复杂的机械传动机构，从而消除了机械结构带来的效率低、维护频繁、噪声与转动惯量大等不利因素，具有效率高、振动与噪声小、精度高、响应快、使用维修方便等一系列突出优点[1]。近年来，随着电力电子技术、永磁材料、电机设计与制造技术、传感技术、控制理论等的发展，大扭矩永磁同步电机在数控机床、矿山机械、港口机械等高性能系统中得到了越来越广泛的应用[2 - 3]。

交流电机控制系统广泛采用单片机、DSP、FPGA为控制系统核心。STM32 是一种基于ARM 公司Cortex-M3 内核的新型32 位闪存微控制器，采用了高性能、高代码密度的Thumb-2 指令集和紧耦合嵌套向量中断控制器，拥有丰富的外围接口，具有高性能、低成本、低功耗等优点[4]。本文针对一种港口机械用大扭矩永磁同步电机驱动系统，采用STM32 + IPM 硬件构架设计了高性能、低成本的控制系统。

1 大扭矩永磁同步电机矢量控制原理

忽略电机的铁心饱和、涡流及磁滞损耗，不计漏磁通的影响，大扭矩永磁同步电机的电压、磁链、转矩方程分别为式中，

 

 

ψd、ψq、ud、uq、id、iq、Ld、Lq分别为永磁同步电机d、q 轴的磁链、电压、电流和电感，Rs为电枢绕组电阻，ωr为转子角速度，ψf为永磁体产生的与转子交链的磁链，Te为电磁转矩，Pn为电机磁极对数。

由式( 3) ，控制id = 0 使定子电流矢量位于q轴，此时转矩Te和iq呈线性关系，实现电磁转矩的解耦控制。如图1 所示，本文的永磁同步电机采用速度、电流双闭环控制，图中ω* 为给定速度指令，ω 为速度反馈，将速度误差输入速度控制器，输出交轴电流指令i*q，通过电流PI 控制器和坐标变换，再利用SVPWM 产生IPM 开关信号。

 

 

图1 大扭矩永磁同步电机控制原理框图

2 系统设计

图2 所示为该系统结构框图， 本文采用STM32F103VCH6 主控芯片、PM800HSA120 智能功率模块为系统核心，硬件控制系统主要有: 处理器模块; 检测模块，主要包括霍尔电流检测、旋转变压器接口电路; 主电路，主要由整流、软启动、滤波、制动电路，以及PM800HSA120 及其驱动、保护、吸收电路组成; 开关电源及其他模块，主要由多路DC /DC 转换、直流母线电压保护、温度检测保护等电路组成。

 

 

图2 大扭矩永磁同步电机硬件系统结构框图

2. 1 硬件系统设计

2. 1. 1 处理器模块

STM32F103VCH6 是基于ARM 公司Cortex-M3 内核的新型32 位闪存微控制器，拥有三级流水线和分支预测功能，最高工作频率为72 MHz，可以满足本系统处理速度和实时性的需求，有两个高性能的12位的16 通道A/D 转换器、两个16 位专为电机驱动设计的内嵌死区控制6-PWM 定时器，片上还集成有SPI、USB 2. 0 等丰富的外设和接口[5]。如图2 所示，本系统充分利用了STM32 的片上资源，利用它来接收、处理电流、位置等反馈信号，接收、处理各种出错保护信号，执行电机控制算法等。

2. 1. 2 检测模块

检测模块主要包括电流检测电路和位置检测电路。其中电流检测采用莱姆电流型霍尔传感器

LT308-S7，其具有抗干扰能力强、灵敏度高、线性度好、温漂小等优点。为了减小在电流较弱时的检测误差，本文设计了如图3 所示的增益可调的电流检测电路，传感器输出的电流信号经过精密电阻采样后转换为电压信号Vi，经过电压跟随电路、三级放大电路和肖特基二极管钳位电路，输出电压Vo( Vo= 3nVi /20 + 1. 5，n 为放大倍数) 到STM32 的A/D 模块进行处理。其中开关芯片DG403 由STM32 控制，用于调整电流检测电路增益，小电流选择大增益，大电流反之。由于大扭矩电机额定电流可达232 A，若检测电路增益不可调，则当电流较弱时检测电路的放大增益相对较小，电流的检测精度会降低，而采用增益可调的检测电路可以在电流较弱时提高增益，从而减小检测误差，提高电流检测的分辨率。

表1 为DG403 控制信号与电流检测电路增益放大倍数的对应关系。

 

 

表1 DG403 控制信号与增益放大倍数对应表

考虑港口机械存在较强振动和冲击[6]，本文利用旋转变压器YS 210XFDW9574A 进行位置检测。其解码电路如图4 所示，采用AD2S99 芯片为旋转变压器提供激励信号，AD2S90 芯片作为旋转变压器/数字转换器( RDC) 。AD2S90 以同步串行方式( SPI) 与控制芯片STM32 之间进行通讯，AD2S99 的励磁信号源的频率可以通过SEL1、SEL2、FBIAS 引脚进行设置，此处激磁频率设为10 KHz，通过AD2S99 内部处理后产生的输出信号SYNREF 与AD2S90 的REF 脚相连，可以补偿旋转变压器一次侧到二次侧的相位偏差，保证它的转换精度。

 

 

图3 电流检测电路

 

 

 

图4 旋转变压器解码电路

图5 所示为旋转变压器激励调理电路，旋转变压器激励信号由AD2S99 提供，激励调理电路对激励信号进行放大、滤波，激励调理电路的外部电源采用± 15 V 双电源供电，保证电路静态工作点调零; Ci1为耦合电容，隔直通交; Cf1为补偿相位用;NPN 和PNP 三极管构成推挽电路，用以消除交越失真。

 

 

图5 旋转变压器激励调理电路

2. 1. 3 主电路

主电路的整流电路采用了DD600N12 整流模块; 软启动电路采用CM600HU-24F 型号IGBT 功率开关取代继电器以提高系统可靠性，当电容器组充电到母线额定电压的80% 时，将IGBT 接入电路; 滤波电路选择16 个6800 μF 电解电容; 制动电路选择CM400HU-24F 型号IGBT 作为开关元件。考虑大电流功率器件的干扰、散热及经济性等因素，选择6 个独立单元的IPM 模块PM800HSA120的逆变电路方案。PM800HSA120 内部集成有驱动和保护电路，具有过压、欠压和温度保护功能，额定电流800 A，反偏电压1200 V，工作频率可达20 kHz。为了进一步提高IPM 的抗干扰性和可靠性，本文对其驱动电路和保护电路进行了加强设计和一些额外处理。如图6 所示，对IPM 的驱动信号进行了差分处理，将控制芯片STM32 发出的六路驱动信号利用差分驱动芯片变为12 路信号，再在IPM 驱动板上利用差分接收芯片还原为6 路驱动信号，然后经过高速光耦的隔离驱动再送给IPM，如图7 所示，以抑制共模干扰信号，增强了IPM 驱动信号的抗干扰性。图7( a) 所示为W 相的隔离驱动电路; 三相上桥臂采用隔离电源供电，三相下桥臂由一路15 V 供电，图7 ( b) 所示为W 相上桥臂隔离电源电路。

 

 

IPM 的故障信号处理电路如图8 所示，出错信号先经过光耦隔离、滤波，然后经过反相施密特触发器，一方面将电压信号反向，另一方面对出错信号进行波形整形，对干扰信号有一定的抑制作用。最后再将处理过的IPM 出错信号输入控制芯片STM32 做出相应处理。

 

 

图8 IPM 出错信号处理电路

由于IPM 的开关频率较高，而在功率回路中存在寄生电感，在IPM 开关过程中会产生很高的浪涌电压，造成对器件的冲击，影响器件的性能及使用寿命。为此设计了如图9 所示的IPM 缓冲电路，以降低IPM 开通和关断过程的电压和电流尖峰，从而降低器件开关损耗，保护器件安全运行。其中，选择超快恢复二极管RM25HG-24S 作为缓冲二极管，其耐压1200 V，最大反向恢复时间300 ns; 综合考虑本系统驱动电流频率及IPM 本身性能，将IPM 工作频率选为8 KHz，取直流母线寄生电感50 nH，根据计算及试验，最终选择缓冲电容Cs = 3 μF，缓冲电阻Rs = 12 Ω。

 

 

图9 IPM 缓冲电路

2. 2 系统软件设计

系统软件主要由主程序和中断服务程序构成，其中主程序完成各种软硬件的初始化、电机初始位置检测和电机启动等，中断服务程序包括PWM 中断子程序和外部中断保护子程序等。其中PWM 中断子程序是控制系统核心，主要完成对转子电流和速度的采集与处理、PID 调节、电压矢量的计算与选择、PWM 发生等。外部中断子程序主要包括母线电压过、欠压保护、启动保护和温度保护等。当IPM 有出错信号时，STM32 控制高级控制定时器的TIM1_BKIN 信号禁止PWM 输出，保证系统的安全，图10为PWM 中断服务程序流程图。

 

 

图10 PWM 中断服务程序

3 实验结果

如图11 所示，为本文所设计永磁同步电机控制系统的STM32 控制板及IPM 驱动板实物。对一台额定功率132 kW、额定电流232 A、输入电压380 V的大扭矩永磁同步电机进行了单元及系统实验。图12 所示为W 相上下桥臂的PWM 波形，测试PWM频率为8 KHz ( 周期125 μs) ; 图13 所示为电机空载运行时W 相的电流波形，表明控制系统的软硬件模块均可有效运行。

 

 

图11 控制电路

4 结语

本文提出了一种基于STM32 的大扭矩永磁同步电机的控制系统，设计了STM32 处理器模块、增益可调的电流检测电路、旋转变压器接口电路、IPM驱动保护电路等，采用矢量控制方法，实现了永磁同步电机速度和转矩控制，并进行了试验验证，为大扭矩永磁同步电机驱动控制提供了一种稳定可靠、高性价比的方案。