变频器的面世和先进的电机操控办法让三相无刷电机(沟通感应电机或永磁同步电机)曾经在调速运用领域获得巨大成功。这些高功用的电机驱动器曩昔首要用于工厂自动化体系和机器人。十年来，电子元器材的大幅降价使得这些电机驱动器能够进入对本钱灵敏的商场，例如：家电、空调或个人医疗设备。本文将讨论根据ARM的规范微操控器如安在一个被DSP和FPGA长时刻独占的商场上打破杂乱的操控形式，咱们将以意法半导体的根据Cortex-M3内核的STM32系列微操控器为例论说这个进程。
首要，咱们回忆一下电机操控的基本原理。在电机操控体系内，为什么处理器十分重要?咱们为什么需求十分好的核算功用?究竟，Nicolas Tesla在一个世纪前创造沟通电机时不需求编译器。只需需求调速，人们无法逃避运用逆变器驱动一个功用不错的3相电机，操控一个永磁同步电机(PMSM)作业更离不开逆变器，这个杂乱的功率电子体系的中心是一个直流转沟通的3相逆变器，其间微操控器起到办理效果，以全数字办法履行一般的三位一体的操控功用：检测(电流、转速、视点…)、处理(算法、内务办理…)、操控功率开关(最低的装备也至少有6个开关)。
选用标量操控是一个三相沟通电机完结变速作业的最简略办法。标量操控原理是在施加到电机的频率和电压之间坚持一个恒比。关于入门级电机驱动器，这是一个十分干流的操控办法，合适负载特性十分一般且操控带宽要求不高的运用(如功率十分小的电泵和电扇)。不幸地是，并不是一切的运用都能忍耐如此简略的操控进程及其运用约束。特别是，标量操控在瞬变环境内不能保证最佳的电机功用(转矩、能效)。为战胜这些约束，人们开发出了其它的电机操控办法，其间磁场定向操控(又称矢量操控)是运用最广泛的办法之一。这种操控办法运用两个去耦直流操控器，不论作业频率怎么(例如转速)，以驱动分隔励磁电机的办法驱动任何一种沟通电机(感应电机或永磁电机)。励磁电流与直流的主磁通量(在一个PMSM电机内的磁体磁通量)有关，而90°移相电流能够操控转矩，功用相当于直流电机的电枢电流。当负载变化时，磁场定向操控办法可完结准确的转速操控，并且呼应速度快，使定子磁通量和转子磁通量坚持完美的90度相位差，即便在瞬变作业环境内，依然能够保证优化的能效，这是完结以电机拓扑为标志的更杂乱的操控办法所根据的基本理论结构，特别是关于PMSM电机，这个理论是无传感器电机驱动器的根底，既能够大幅下降本钱(不再需求转速或转角传感器和相关的连线)，一起还能进步电机可靠性。在这种情况下，有必要只运用电机数学模型、电流值和电压值，经过核算办法预算转子视点方位。在最低分钟转数只需几百转的情况下，这种状况观测器理论(在其它操控办法中)能够完结无传感器的转速操控，在某些情况下，最低分钟转数是中止状况。不过，这对CPU是一个额定的实时负荷。终究，微操控器有必要以1KHz到20KHz的速率接连从头核算矢量操控算法，详细速率取决于终究运用带宽，处理Parke和Clarke转化和完结多个PID操控器和软件锁相环的确需求高强度的数字核算，这便是曩昔为什么数字信号处理器、微处理器或FGPA器材被用作操控器的原因。
虽然专用双模操控器和低端定点DSP架构现已面世，可是意法半导体依然挑选运用Cortex-M3内核开发STM32微操控器。这个解决方案可很好地满意很多的无刷电机驱动器的要求，从一次性工程费用的视点看，该解决方案的长处是选用行业规范的ARM内核和规范微操控器的本钱效益。
根据Harvard架构，这个32位RISC选用Thumb2指令集，供给16位和32位指令。比照纯32位代码，这个指令集能够大幅进步代码密度，一起保存原有ARM7指令集的大都长处(附加优化的乘加运算和硬件除法指令)。
电机操控体系要求微操控器须具有杰出的实时呼应性(中止延时短)、纯处理功用(如单周期乘法)以及优异的操控功用(当处理非序列履行流和条件搬运指令时)。Cortex-M3能够满意一切这些要求。例如，当时钟频率是72MHz时，在25μs内对一个永磁电机完结一次无传感器磁场定向操控，这相当于在10kHz采样率下25%的CPU负荷。
在STM32微操控器内，该内核与意法半导体优化型闪存接口紧密配合，只需添加很少的外部元器材，周边外设即可处理外部事情(图1所示是STM32F103中容量微操控器的结构框图)。不用说，PWM定时器和模数转化器是最重要元器材。PWM定时器包括最先进的功用，如中心对齐形式PWM信号生成和死区时刻刺进逻辑，特别强调安全性:该模块直接操控功率开关换向，可控开关功率到达数千瓦。例如，用于装备某些重要参数的寄存器代码能够被锁维护，以防软件失效。只需“紧迫中止”引脚被拉低，一切的I/O引脚都被置于用户可装备的安全状况。这个功用规划选用组合逻辑模块，当主时钟(晶体)失效时，内部切换到后备振荡器之前，可保证维护电路依然能够正常作业。终究，该微操控器还包括一个第4比较通道，专门用于触发模数转化器，完结最佳的电流丈量精度。
图1：STM32F103中容量微操控器结构框图
即便最杂乱的算法简直也无法批改不准确的模仿丈量值，可是，在某种程度上，电机驱动体系的整体功用取决于模数转化器的质量。STM32F103芯片内置三个采样率为1MSps的12位模数转化器，在整个温度和电压范围内，总不行调整差错(TUE)低于5LSB。模数转化器的数字接口有三个首要功用：首要，使CPU脱节简略操控使命和数据处理;其次衔接芯片的其他部件(中止恳求、DMA恳求、触发输入);终究，使STM32的多路转化器同步操作。在这些对无刷电机操控有用的功用中，咱们首要考虑通道读序列发生器。比照传统的扫描电路(依照模仿输入序号，按序转化必定数量的通道)，在一个16个转化通道组成的顺列(例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11)内，序列发生器可按任何次序转化通道，当规划人员在规划印刷电路板时，这个功用给规划人员带来更高的规划灵活性，为完结均匀转化意图，允许对同一通道进行屡次采样(在一个序列内)，当整个序列转化结束后，DMA通道将转化成果送到RAM，中止处理程序发生一个中止恳求。
在检测电机相位电流的进程中，瞬变电压在功率开关上发生的噪声(在离线开关运用中，典型噪声到达几百个V/μs)是引起读取差错的一个重要原因，或许导致丈量成果的信噪比十分低。解决方案是使模数转化器与操控功率级的定时器同步：由于换向时刻能够预订(由3 PWM定时器的比较寄存器界说)，所以能够运用一个额定比较通道在换向时刻稍前或稍后触发模数转化操作。根据这个原因，STM32启用了第二个序列发生器(又称注入序列发生器)，该序列发生器的优先级高于正常序列发生器，能够用一个不能推迟的新转化操作使当时的转化操作中止。通常情况下，正常序列发生器担任“内部办理”转化，接连检测温度或直流总线电压(作为后台使命)，然后经过DMA通道发送到RAM，而注入序列发生器则将处理时刻要害的转化操作，并将转化成果存储在模数转化器寄存器(将会发生一个中止，可是不能承受延时)。
关于一个能够履行先进的电机操控功用的通用微操控器，具有微操控器是一回事，而开发轻松入门却是另一回事。运用软硬件东西能够把这个问题的两个方面都处理好。首要是具有一套电机操控开发入门东西，包括测验东西(JTAG探针和光阻隔器)、微操控器芯片以及功率级电路板和演示用PMSM电机，这套东西用于产品功用评价和开发用处。模块化规划有助于晋级演示运用(例如双电机操控微操控器电路板)，评价多个(或定制)功率级。终究，意法半导体为STM32客户免费供给电机操控软件库。2.0版电机操控软件库运用头文件内的一个简略且低价的#define声明列表支撑各种装备。软件库包括沟通感应电机和同步电机的磁场定向操控算法，为简化代码的可读性和可维护性，这些算法选用C编程言语，再次证明了现代编译器的功率。该软件库还针对PMSM电机供给一个稳健的无传感器操控算法(根据磁通观测器)，以及一个超高速内部永磁电机(IPM)专用操控算法。当然，该软件还支撑一般转速和方位传感器(增量编码器、霍尔传感器或转速传感器)。经过运用阻隔传感器或分流器，STM32支撑三种电流检测办法。STM32外设能够完结一个立异的单电流检测办法，运用本钱最低的装备(一个简略的共同的电阻器)履行矢量操控。由于能够最大极限下降本征电流失真率，这项技能已获得专利权。
意法半导体现在的首要开发项目是操控电机直到中止状况的无传感器永磁电机操控和内置功率因数校对功用的双电机操控。最近，意法半导体成功演示了单电流检测办法，仅一个STM32微操控器就能履行两个单电流检测矢量操控功用，一起还用一个40kHz的操控回路办理PFC级(详见图2)。
图2：STM32F103HD能够一起处理双电机操控和数字PF
从功率开关分立器材，到杂乱的体系芯片，意法半导体许诺以其独有的产品组合长时刻支撑电机操控商场。STM32微操控器产品线将持续沿四个新方向布置，如图3所示，其间两个方向适用于电机操控。第一个产品线将面向低本钱商场，开发低端的16位电机操控微操控器。另一个产品线以高功用为诉求，面向需求更高处理功用、更大存储容量和高带宽接口的运用。如此广大的产品组合结合Cortex-M3内核，必然建立STM32架构适用于现在和未来电机驱动的多功用性。
图3：STM32:强固的增加根底
