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1、STM32 马达控制软件介绍马达控制软件介绍及开发套件的使用及开发套件的使用2009年年STM32 全国研讨会全国研讨会北京、深圳、上海、台北、北京、深圳、上海、台北、青岛、重庆、南京、哈尔滨、青岛、重庆、南京、哈尔滨、武汉、福州、西安武汉、福州、西安STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/20092演讲内容演讲内容uSTM32面向马达控制的特性uSTM32马达控制软件库的介绍FOC简介软件库特点软件库结构软件库性能u马达控制套件的使用套件特点套件功能u怎样基于STM32马达控制套件及软件库实现PMSM马达的无传感器模式控制使用户能在很短时间内就能运转自己的马达STM32 全国研讨
2、会全国研讨会 14-25/09/20093STM32面向马达控制的特性面向马达控制的特性u功能强劲的内核 ARM Cortex-M31.25DMIPS/MHz，哈弗结构，与ARM7相比性能提高30%单周期乘法、硬件除法及乘累加指令代码密度lThumb-2指令集，与ARM7相比代码密度提高30%NVIC：快速的中断响应u面向马达控制的丰富的外设16位高级定时器6通道三相互补PWM的产生，带硬件死区，每个通道的极性独立设定时钟为72MHz(13.9ns精度)紧急故障输入端口，可异步地关断PWM的输出可触发ADC的事件16位通用定时器霍尔、编码器硬件接口ADC双ADC或三ADC模块12 BIT精度，
3、1MSps，每个通道的采样时间可单独编程可由外部或定时器事件触发DMA通道分组：注入转换组及常规转换组SCAN模式多样化的双ADC模式STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/20094软件库软件库FOC简介简介uFOC(Field Oriented Control)，采用数学方法实现三相马达的力矩和励磁的解耦控制u定子电流被分解成：励磁电流Id：产生励磁交轴电流Iq：控制电磁力矩，类似于DC马达的电枢电流uFOC算法优点：当负载变化时，速度响应快速而精确马达的瞬时效率得到优化能实现位置控制（通过瞬时力矩控制）STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/20095软件库软件库
4、 特点特点(1)u针对无刷马达控制的方案针对无刷马达控制的方案 有传感器有传感器/无传感器方无传感器方案的实现案的实现交流感应马达交流感应马达(带速度反馈带速度反馈)PMSM马达马达(无传感器方案的实现无传感器方案的实现)u特点特点GUI用户界面：产生软件库的头文件用户界面：产生软件库的头文件用户调试界面用户调试界面(通过通过LCD及及JOYSTICK)：可实时地调试：可实时地调试PID及观测器参数及观测器参数DAC功能：可实时地跟踪某些重要的变量功能：可实时地跟踪某些重要的变量以循序渐进的方式指导用户如何使用软件库来开发自己以循序渐进的方式指导用户如何使用软件库来开发自己的项目的项目详尽的用
5、户手册详尽的用户手册免费的软件源代码免费的软件源代码STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/20096软件库软件库特点特点(2)u特点特点(续续)优化的优化的PMSM马达控制马达控制l不同的转子位置反馈方法的实现不同的转子位置反馈方法的实现Sensor模式：模式：HALL(120度度/60度度)/ ENCODERSensorless模式：模式： Luenberger观测器及观测器及PLL算法算法l马达相电流采样：马达相电流采样：三电阻法三电阻法单电阻法：改善硬件成本单电阻法：改善硬件成本电流传感器法电流传感器法lMTPAI-PMSM马达的优化控制马达的优化控制l改进的弱磁控制算法：
6、无须知道马达的精确参数改进的弱磁控制算法：无须知道马达的精确参数l电流前馈：可实现对电流前馈：可实现对DC BUS纹波的补偿纹波的补偿STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/20097软件库软件库 特点特点(3)：GUI界面界面u通过直观的界面配置软件库u输入马达及控制参数，可直接生成软件库的头文件STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/20098软件库软件库特点特点(4)：实时调试界面：实时调试界面u可实时地调节力矩环，励磁环及速度环可实时地调节力矩环，励磁环及速度环PID的参数的参数u可实时地调节观测器的增益参数可实时地调节观测器的增益参数(无传感器模式下无传感器模
7、式下)u可实时地改变目标速度可实时地改变目标速度(速度控制模式下速度控制模式下)或目标力或目标力矩及励磁矩及励磁(力矩控制模式下力矩控制模式下)u进入弱磁控制区的上限电压值的选择进入弱磁控制区的上限电压值的选择uDC BUS电压及功率板温度监控电压及功率板温度监控uDAC输出变量的选择输出变量的选择STM32 Motor ControlPMSM FOC ver 1.0Sensorless DemoSpeed control modeTarget Measured02500 (rpm) 00000 Move ChangeSTM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/20099STM32 M
8、otor ControlPMSM FOC ver 1.0Singal on PB0IqrefSingal on PB1Ia Move Change软件库软件库特点特点(5)：DAC功能功能u通过通过TIM3的两个的两个PWM通道实现通道实现u可通过可通过LCD菜单实时地检测两个软件变量菜单实时地检测两个软件变量软件脱机运行，避免使用仿真器运行时引起的驱动电路烧软件脱机运行，避免使用仿真器运行时引起的驱动电路烧坏坏可实时检测马达相电流，速度，转子位置等可实时检测马达相电流，速度，转子位置等u可在头文件中通过条件编译行禁止可在头文件中通过条件编译行禁止STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/
9、09/200910软件库软件库特点特点(6)：MTPAuMTPAI-PMSM(永磁体内嵌式马达：Ld vabciabc- iqd电流采样电流采样无传感器观测器无传感器观测器PID 电流调节电流调节电流前馈电流前馈 & BUS 电压补偿电压补偿PI速度速度调节调节定子定子 电压电压 闭环闭环 弱磁弱磁rMTPAiqd*iabcTe*iqd*iqdvoltage level *r+r elBus voltageV measurementr速度环速度环速度环速度环电流环电流环电流环电流环STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200913软件库性能软件库性能FOC算法执行时间算法执行时间
10、u基于CortexTM-M3强劲的计算能力，sensorless模式下FOC控制环的执行时间如下(与第三方编译器有关)三电阻电流采样方式：从20.2s 到 21.6s单电阻电流采样方式：从23.9s 到 26svdsvqs+-+-iqsidsiqs*ids*r elvsiabc sr eli sPIDPIDREVERSE PARK & circle limitationCALC SVPWM3-SHUNT3-SHUNT CURRENT READINGSENSORLESSSENSORLESSROTOR POSITION FEEDBACKCLARKEPARKCPU load 10kHz sampli
11、ng time 30%CPU load 10kHz sampling time 25%1-SHUNT1-SHUNT CURRENT READINGSTM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200914软件库性能软件库性能代码长度代码长度u由于Thumb2指令集具有较好的代码密度， PMSM FOC 软件库的总的代码长度(sensorless 模式，三电阻电流采样)为： 23.3kB 到 24.7kB(与第三方的编译器有关)u排除LCD及Joystick管理代码，纯的马达驱动的代码长度为： (矢量控制模块的优化选项为速度优化)12.5KbSTM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/0
12、9/200915马达控制套件马达控制套件(1)特点特点u高压驱动板 + 低压控制板整合成一块主板，价格远低于第一代套件u更高的功率容量(与第一代套件相比)u直观的硬件平台，使用户无需设计硬件即可进行马达驱动性能的评估。u给用户设计硬件电路提供参考仿真器仿真器(不包含在套件中不包含在套件中)隔离板隔离板主板主板STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200916马达控制套件马达控制套件(2)：功能：功能u兼容STM32 FOC 软件库软件库可以直接在该套件上运行通过跳线设置，可满足软件的各种编译模式l单电阻和三电阻电流取样选择功能l编码器/ HALL输入检测功能，Sensorless
13、模式u满足大功率应用要求，如变频空调压缩机及工业大功率电机驱动的开发调试20A/30A IGBT 三相半桥驱动模块主动PFC控制功能l兼容部分PFC、全部PFC硬件拓扑结构，包括：AC输入电压波形检出（正弦波）电感电流波形检出（正弦波）DC BUS 电压检出lPFC硬件保护电路：IGBT过流硬件自关断， IGBT过流保护信号输出l可提升DC BUS 电压，抑制输入电流谐波STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200917马达控制套件的使用马达控制套件的使用(3)：功能：功能u一块控制板集成了EVB及功率驱动的所有功能，摒弃了原开发套件(EVB + Power Stage)的模式，
14、且驱动功率更高uJTAG仿真隔离板u能耗刹车控制电路uLCD及Joystick用户界面：可结合FOC软件库调试马达uRS232通信接口(光耦隔离)uCAN通信接口u上电延时功能：抑制上电浪涌电流u可驱动低压马达(12V/24V)及高压马达(交流220V)STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200918基于马达控制套件实现基于马达控制套件实现PMSM马达的控制马达的控制(1)u使用GUI产生软件库参数头文件使马达运行在纯传感器模式lHALL或ENCODER选择马达电流采样方式马达电流采样电路参数设置lShunt：0.015欧l放大倍数：3.9输入马达参数使能电流环调节使用GUI产
15、生参数头文件，替代软件库中的原文件，编译软件库，通过JTAG仿真器把程序烧入MCUu在套件上运行，此时马达短时间地正反转，运行在速度开环模式下，用DAC功能监测阶跃响应，实时调节电流PID参数；u把电流PID参数结果写入软件，禁止电流环调节，使马达运行在速度闭环模式下，调节速度PID参数STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200919基于马达控制套件实现基于马达控制套件实现PMSM马达的控制马达的控制(2)u使马达运行在纯传感器模式，且使能观测器：选择OBSERVER_GAIN_TUNING： 电流和速度环仍使用由传感器反馈的转子位置角信号， 但此时观测器同时运行；使用DAC功
16、能实时地调节观测器及PLL增益参数（ K1，K2，F1，F2，PLL_KP_GAIN ，PLL_KI_GAIN ）：观测器增益参数对反电动势观测起作用，而PLL增益参数(一般其缺省值就满足要求了)对位置角重构起作用；一旦这6个参数确定，把它们写入头文件 MC_State_Observer_param.hSTM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200920基于马达控制套件实现基于马达控制套件实现PMSM马达的控制马达的控制(3)u使马达运行在无传感器模式，但仍使能传感器反馈处理：选择NO_SPEED_SENSORS及VIEW_HALL_FEEDBACK或VIEW_ENCODER_FE
17、EDBACK之一，电流和速度环使用由观测器反馈的转子位置角信号。传感器反馈的信号仍处理，使其可与观测器反馈的位置角信号进行比较；填写MC_State_Observer_param.h中剩余的参数，且第一次设置统计参数；注意： 如要达到较高的速度精度，可能需要针对不同的速度值设置不同的速度PID参数，且需要进一步实时地调节观测器，PLL及速度PID参数。STM32 全国研讨会全国研讨会 14-25/09/200921基于马达控制套件实现基于马达控制套件实现PMSM马达的控制马达的控制(4)u马达运行在无传感器模式：注释掉VIEW_HALL_FEEDBACK 或VIEW_ENCODER_FEEDBACK；注释掉OBSERVER_GAIN_TUNING; 如果DAC功能不再需要，注释掉DAC_FUNCTIONALITY以减小代码长度谢谢谢谢2009年年ST MCU巡回演讲巡回演讲
