2021年03月08日 | 基于STM32单片机的大扭矩永磁同步电机驱动系统

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72MHz，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、USB2.0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232A，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1DG403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10KHz，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±15V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6800μF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800A，反偏电压1200V，工作频率可达20kHz。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15V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1200V，最大反向恢复时间300ns;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8KHz，取直流母线寄生电感50nH，根据计算及试验，最终选择缓冲电容Cs=3μF，缓冲电阻Rs=12Ω。

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132kW、额定电流232A、输入电压380V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8KHz(周期125μs);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。

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。