变频器是运用电力半导体器材的通断效果将工频电源变换为另一频率的电能操控设备，能完结对沟通异步电机的软起动、变频调速、进步作业精度、改动功率因数、过流/过压/过载保护等功用。变频器集成了高压大功率晶体管技能和电子操控技能，得到广泛运用。变频器的效果是改动沟通电机供电的频率和幅值，因此改动其运动磁场的周期，到达滑润操控电动机转速的意图。变频器的呈现，使得杂乱的调速操控简略化，用变频器+沟通鼠笼式感应电动机组合代替了大部分原先只能用直流电机完结的作业，缩小了体积，下降了修理率，使传动技能发展到新阶段。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。
许多运用都会用到功率低于300 W的小型电机，例如轿车、打印机、复印机、纸张处理机、工厂自动化、太空和军事载具、测验设备和机械人。整体而言，电机的产值约和其功率巨细成反比，这表明小型电机的产值远超过大型电机。运用最广泛的小型电机包括直流电机、无刷直流电机和步进电机。
步进电机、直流电机和无刷直流电机的首要差异在于它们的驱动办法。步进电机是以步阶办法分段移动，直流电机和无刷直流电机一般则选用接连移动的模仿操控办法。由于步进电机选用步阶移动，所以特别合适尽对寻址运用，现在商场上常见的步进电机已能供给每一步1.8°或0.9°的准确移动才能。步进电机选用直接操控办法，它的首要指令和操控变量都是步阶方位 （step position）；相形之下，直流电机则是以电机电压做为操控变量，以方位或速度做为指令变量。直流电机需求反应操控体系，它会以直接办法操控电机方位，步进电机体系八成则是以「开环」办法进行操作。
直流电机是最常见和本钱最低的小型电机，并且广泛用于各种运用。无刷直流电机声称能供给更高可靠性以及更低噪声和本钱，可是到现在为止，它却只能在磁盘或核算机电扇等少数目产运用中替代传统直流电机。在某些运用里，无刷直流电机有多项长处胜过传统电刷电机，例如它以电子组件和传感器替代电刷，不光延伸电机寿数和削减保护本钱，并且也没有电刷发生的噪音。直流电机的特性使它成为调速体系最轻易运用的电机。
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°移相电流可以操控转矩，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，依然可以确保优化的能效，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，既可以大幅下降本钱（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。在最低分钟转数只要几百转的情况下，这种状况观测器理论（在其它操控办法中）可以完结无传感器的转速操控，在某些情况下，最低分钟转数是停止状况。
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，这个指令集可以大幅进步代码密度，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可以满意所有这些要求。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10 kHz采样率下25% 的CPU负荷。
意法半导体扩展32位STM32微操控器（MCU）支撑的电机矢量操控函数库，新增了支撑单旁路无传感器操控、内部永磁（IPM）电机操控和永磁同步（PMSM）电机弱磁操控的算法。现在商场上大约已有40种电机操控运用选用了意法半导体的根据Cortex-M3的STM32微操控器。 在规划人员现在可以获得的新算法中，单旁路电流感应支撑功用只需求一个电流感应电阻器，比需求三个电阻器的一般无传感器操控机制愈加节约体系本钱。单旁路电流感应是意法半导体开发的一项专利技能，具有直流总线电压运用率高、电流失真小和可听噪声低一级长处。经过添加一个”最大化转矩电流比”（MTPA）操控算法，扩展的函数库给规划人员供给了更大的自在规划空间，使他们可以灵敏地界说无刷IPM电机的电气参数，满意实践运用对电机的高功率密度和高速功用的需求。根据这些新的算法，开发人员可以充分运用STM32丰厚的电机操控外设，包括STM32集成的两个三相PWM定时器，使一个微操控器可以一起操控两个无刷电机。经过打破一个微操控器操控一个电机的规矩，规划人员运用STM32可以节约本钱，下降规划尺度和功耗，并且不会对功用有任何影响。微操控器集成的三个模数转化器可以支撑高精度电机驱动器用的三路采样坚持电流捕获。由于STM32选用先进的ARMCortex-M3CPU工业规范架构，用户在STM32上开发电机操控解决方案要比运用企业专有架构更节约时刻。
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5 LSB.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敏性，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：由于换向时刻可以预订（由3 PWM定时器的比较寄存器界说），所以可以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，可以用一个不能推迟的新转化操作使当时的转化操作中止。一般情况下，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）。
关于一个可以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。运用软硬件东西可以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保护性，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外设可以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。由于可以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停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40 kHz的操控回路办理PFC级（详见图1）。
一种STM32微操控器电机控制方案规划与完结
一种STM32微操控器电机控制方案规划与完结
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。
