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STM32微控制器处理电机控制设计原理与技巧

2011-01-05 16:22
kumsing
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  变频器的问世和先进的电机控制方法让三相无刷电机(交流感应电机或永磁同步电机)曾经在调速应用领域取得巨大成功。这些高性能的电机驱动器过去主要用于工厂自动化系统和机器人。十年来,电子元器件的大幅降价使得这些电机驱动器能够进入对成本敏感的市场,例如:家电、空调或个人医疗设备。本文将探讨基于ARM的标准微控制器如何在一个被DSP和FPGA长期垄断的市场上打破复杂的控制模式,我们将以意法半导体的基于Cortex-M3 内核的STM32系列微控制器为例论述这个过程。

  首先,我们回顾一下电机控制的基本原理。在电机控制系统内,为什么处理器非常重要?我们为什么需要非常好的计算性能?毕竟,Nicolas Tesla在一个世纪前发明交流电机时不需要编译器。只要需要调速,人们无法回避使用逆变器驱动一个性能不错的3相电机,控制一个永磁同步电机(PMSM)运转更离不开逆变器,这个复杂的功率电子系统的核心是一个直流转交流的3相逆变器,其中微控制器起到管理作用,以全数字方式执行普通的三位一体的控制功能:检测(电流、转速、角度…)、处理(算法、内务管理…)、控制功率开关(最低的配置也至少有6个开关)。

  采用标量控制是一个三相交流电机实现变速运转的最简单方式。标量控制原理是在施加到电机的频率和电压之间保持一个恒比。对于入门级电机驱动器,这是一个非常主流的控制方法,适合负载特性非常普通且控制带宽要求不高的应用(如功率非常小的电泵和风扇)。

  不幸地是,并不是所有的应用都能忍受如此简单的控制过程及其应用限制。特别是,标量控制在瞬变环境内不能保证最佳的电机性能(转矩、能效)。为克服这些限制,人们开发出了其它的电机控制方法,其中磁场定向控制(又称矢量控制)是应用最广泛的方法之一。这种控制方式利用两个去耦直流控制器,不管运转频率如何(例如转速),以驱动分开励磁电机的方式驱动任何一种交流电机(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°移相电流可以控制转矩,功能相当于直流电机的电枢电流。当负载变化时,磁场定向控制方式可实现精确的转速控制,而且响应速度快,使定子磁通量和转子磁通量保持完美的90度相位差,即便在瞬变工作环境内,仍然能够保证优化的能效,这是实现以电机拓扑为标志的更复杂的控制方法所依据的基本理论框架,特别是对于PMSM电机,这个理论是无传感器电机驱动器的基础,既可以大幅降低成本(不再需要转速或转角传感器和相关的连线),同时还能提高电机可靠性。在这种情况下,必须只使用电机数学模型、电流值和电压值,通过计算方法估算转子角度位置。在最低分钟转数只有几百转的情况下,这种状态观测器理论(在其它控制方法中)可以实现无传感器的转速控制,在某些情况下,最低分钟转数是静止状态。

 

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