根据STM32F407的永磁同步电机伺服控制器规划

摘要：首要介绍了永磁同步电机伺服操控器的基本功用及操控原理，并以STM32F407为根底进行了小功率的伺服操控器规划，详细叙述了伺服操控器的软、硬件的详细规划流程及其完结方法。并经过意法半导体公司供给的相关软件规划东西快速、有效地完结伺服操控器的规划、调试。

自20世纪90年代以来，跟着现代电机技能、现代电力电子技能、微电子技能、操控理论及计算机技能等支撑技能的快速开展，沟通伺服操控技能得到极大的开展，使得从前困扰着沟通伺服体系的电机操控杂乱、调速功用差等问题取得了突破性的开展。沟通伺服体系的功用日渐进步，价格趋于合理，使得沟通伺服体系替代直流伺服体系，尤其是在高精度、高功用、智能化、模块化和网络化要求的伺服操控范畴成了一个开展趋势。

在伺服操控器中，为了确保伺服操控杰出的实时性、准确性及灵活性，常选用专用于电机操控的DSP(DSC)或FPGA作为操控中心，这些芯片都针对电机操控做了很多的优化，如：带死区的互补型PWM，多种触发、同步方法的快速ADC，高可靠性和抗搅扰性。但它们都不谋而合地将芯片的规划重心倾向了电机操控自身，而少了对网络化的支撑。因为现在伺服操控器正在向智能化、网络化方向开展，DSP或FPGA作为伺服操控器的中心，不光应具有杰出的电机操控特性，而且更要有杰出的互联性，以习惯伺服单元与其它操控设备间飞速增加的互联才能。这方面，意法半导体的依据ARM Cortex—M4内核的STM32F407系列芯片就做到十分到位，STM32F407芯片内置的单精度FPU和1MB的闪存，使它不光运算速度快(168 MHz，2.79Coremark/MHz)、运算精度高，使得杂乱的电机操控算法得以施行，而且具有IEEE1588 v2 10/100 M以太网接口、CAN2.0接口和USART接口以便利和不同的操控设备互联互通。别的，芯片自带的加密/哈希硬件处理器确保了产品的知识产权不至容易被盗。

使意图法半导体(ST)的STM32F407芯片不光在硬件上大幅减小了外部器材的品种及数量，下降了生产成本，进步了产品的可靠性;而且供给了通用外设库、DSP算法库、沟通永磁电机(Permanent Magnet Synchronous Motor以下简称：PMSM)的场定向(Field Oriented Control以下简称：FOC)库，图形化芯片外设装备软件Microxplorer和支撑实时变量监控及可视化调试的软件STMStudio，以加速规划开发人员的产品开发速度。

1 伺服操控器的计划规划

1.1 伺服操控器规划原理

因为伺服体系具有高带宽、高精度、大扭矩的特色，为到达伺服操控要求，选用技能老练的沟通永磁同步电机作为被控目标，将伺服体系规划成一个具有电流环、速度环、方位环三闭环回路的复合操控体系。

伺服体系终究寻求的是外环定位的准确性和快速性，而外环的功用发挥在于内环的功用。电流内环的规划是高功用伺服体系的根底和条件，是进步伺服体系操控精度和呼应速度、改进操控功用的要害。伺服操控体系的原理框图见图1。

1.2 依据STM32F407芯片的伺服操控器的硬件完结

依据STM32F407芯片的伺服操控器原理框图如下：

由图2可知：依据STM32F407芯片的伺服操控器运用的元件少，结构简略，易于开发。现就依据STM32F407芯片的伺服操控器各部分分述如下：

1.2.1 电源供电

本计划中驱动的电机为24 V～48 V的中小功率PMSM，所以直流母线电压应该在DC 24 V～48 V之间，最低不能低于DC18 V。

选用L7815CP三端稳压模块将直流母线电压降为15 V，供IGBT驱动器L6390运用;

选用L7805CP三端稳压模块将15 V电压降为5 V，供电机的码盘、电流传感器ACS706、数据缓冲74LV244以及运放TSV994运用;

选用AMS1117低压差稳压器将5 V转为3.3 V，供SFM32F407芯片及UART PHY接口芯片C3222B、CAN PHY接口芯片SN65HVD234和以太网PHY接口芯片DP83848T供电。

1.2.2 与上位机/PLC的接口电路

本计划中与上位机/PLC的接口有三种方法，分别是RS232串口、CAN接口和以太网接口，因为STM32F407芯片不供给相应的物理层接口，为此选用ST公司的C3222B作为RS232的接口芯片，TI公司的SN65HVD234和DP83848T作为CAN和以太网的接口芯片。

1.2.3 IGBT及其驱动电路

本计划选用ST公司的IGBT，类型是STGF7NC60HD，该款IGBT的耐压为Vce=600V，在100℃时的答应电流为Ic=6 A，饱满压降Vces=2.4 V，栅极充电电荷Qg=48 nC，因为其Qg较小，所以其最大开关频率可达70 kHz。

选用的IGBT驱动芯片为ST公司的L6390半桥驱动芯片，它选用BCD离线技能，使其能够在600 V下作业。

1.2.4 电压电流采样电路

本计划先将直流母线电压经过电阻分压后，再用运放改换至适宜的电平供STM32F407芯片内部的ADC采样。STM32F407芯片经过采样直流母线电压来进行直流母线纹波补偿。

本计划选用allegro公司的HALL电流传感器ACS706，来对V相、W相电流进行检测，并依据检测成果进行FOC操控算法，操控电机的滚动。之所以选用ACS706，是为了进行高低压阻隔，避免体系功率部分发生的搅扰串入STM32F407芯片。

1.2.5 毛病维护电路

在电流采样电路的根底上，经过比较器设定过流门限，当电流超限时，发动制动电路，中止PWM输出，并进行毛病指示。

在电压采样电路的根底上，经过软件设定过压、欠压门限，当电压超限时，发动制动电路，中止PWM输出，并进行毛病指示。

1.2.6 码盘接口电路

本计划经过74LV244将电机的HALL码盘信号由TTL电平改换为LVTTL信号，送STM32F407芯片进行处理。

1.3 依据STM32F407芯片的伺服操控器的软件完结

依据STM32F407芯片的沟通伺服操控器，选用依据永磁电机动态解耦数学模型的矢量操控一场定向操控算法(FOC)。在进行沟通伺服操控器的软件规划时，可运用ST公司的图形化芯片外设装备软件Microxplorer进行STM32F407芯片的选型及外设装备、初始化代码的生成;在PMSM电机的FOC算法规划阶段可参阅ST公司的PMSMFOC Library和Standard Peripherals Labrary-CMSlS进行开发，而且ST公司供给了DSP算法库以供开发者运用;在体系的调试阶段因为电机操控的特殊性，不能在电机运行时设置断点进行调试，为此可选用ST公司的STMStudio软件进行实时变量监控及可视化调试。

1.3.1 沟通伺服操控器软件应具有的功用

沟通伺服操控器软件应完结以下功用：

◆体系方位操控、速度操控和电流操控;

◆与上位机通讯功用;

◆过流、过压、欠压的维护及毛病指示。

伺服操控器功用的好坏，电机的方位环、速度环和电流环操控是规划要点。现将这几部分分述如下：

1.3.1.1 伺服体系方位环的完结

STM32F407芯片依据上位机/PLC宣布的方位指令，操控PMSM快速平稳的滚动到指定的视点。

方位的操控算法选用三段法，即：方位差错大时，选用最大速度盯梢，以快速消除差错;方位差错为中等差错时，速度操控量为

(其间：ε为加速度，e为当时方位差错);在方位差错较小时选用PI操控算法。其软件作业流程如图3。

1.3.1.2 伺服操控器速度环的完结

由STM32F407芯片内部的正交编码器接口的脉冲计数寄存器确认输入的正交脉冲数，而且转子每转过一周，增量编码器输入一个零位标志脉冲信号，以消除因脉冲丢掉引起的计数差错。为使脉冲计数寄存器的计数不会溢出，因而转子方位角最大采样周期有必要依据电机的最高作业频率和操控精度确认，电机作业频率和操控精度越高，则采样周期越小。操控算规律选用PI算法。

速度环的作业流程如图4。

1.3.1.3 伺服操控器电流环的完结

伺服操控器要求电流环具有输出电流谐波重量小、呼应速度快的特色，所以电流调节器有必要满意内环操控所需求的操控呼应速度，能准确操控随转速改变的沟通电流巨细及频率。但若电流环的呼应速度过大，会使电流环调整时的音频噪声较大，一起在电流很小时会引起电流环的震动，主张电流环呼应频率的上限值是开关频率的10%～20%为好。

对电流环的操控算规律选用积分别离的PI操控算法。其基本思路：当被控量与设定值差错较大时，撤销积分效果，避免因为积分效果使体系稳定性下降，超调量增大;当被控量挨近给定值时，引进积分操控，以便消除静差，进步操控精度。其流程框图如图5。

2 总结

这个计划用到了STM32F407芯片的很多强壮特性，如：DSP指令、浮点运算单元、大容量的RAM和Flash、168 MHz的高主频、Ethernet和加密协处理器。经过ST公司的很多软、硬件规划参阅和贯穿开发各个阶段的免费软件支撑，使得广阔的电机操控开发工程师能够在最短的时刻开宣布功用强壮的伺服操控产品。