永磁同步電機控制器程序設計

黃永康 韓軍良 周泊龍 唐傳勝 劉蒙恩 仝飛飛

摘要：本文以微處理器STM32F302作為主控芯片，基于無傳感器磁場定向控制（FOC）策略，采用圖形化編程技術，在STM32CubeMX和MDK-ARM軟件平臺上開發了永磁同步電機控制器程序。本設計方法增強了代碼的執行效率和可靠性，降低了系統程序開發難度。實驗結果表明，系統實現了精確速度伺服控制的功能，為永磁同步電機控制提供了一種有效的技術方案。

關鍵詞： 永磁同步電機;微處理器;圖形化編程;磁場定向控制;空間矢量脈沖寬度調制

1引言

近年來，隨著科學技術的飛速發展，嵌入式技術和自動控制技術越來越成熟，伺服控制系統向高精度、高性能方向發展。永磁同步電機在伺服控制領域擁有著高精度、高效率的優點，為了降低永磁同步電機控制技術開發的難度，本文采用圖形化編程技術，來實現永磁同步電機控制器的快速高效開發。

2永磁同步電機控制器程序設計

本文以微處理器STM32F302作為主控芯片，進行永磁同步電機控制器程序開發。硬件平臺為控制板NUCLEO-F302RB和驅動板X-NUCLEO-IHM07M1 3SH組合的硬件系統。為了降低程序開發的難度，采用采用圖形化編程技術，基于ST公司的圖形化芯片配置工具STM32CubeMX和嵌入式開發工具MDK，進行程序開發。STM32CubeMX 是ST意法半導體公司推出的STM32 芯片圖形化配置工具， 允許用戶使用圖形化向導生成C 初始化代碼，支持多種工具鏈，比如MDK、IAR For ARM、TrueStudio等， 簡化了配置各種外設的流程，可以大大減輕開發工作，時間和費用，提高開發效率[1-3]。

在設計中，在STM32CubeMX平臺上，把STM32F302的PC13引腳設置為電機運行啟停開關，PC0和PC1設置為永磁同步電機的A相電流和B相電流檢測的ADC輸入通道。把STM32F302的PA8、PA9和PA10分別設置為三相逆變半橋A相、B相、C相的上橋臂開關管的PWM信號輸出通道，把STM32F302的PC10、PC11和PC12分別設置為三相逆變半橋A相、B相、C相的下橋臂開關管的PWM信號輸出通道。

在MotorControl Workbench平臺上，輸入永磁同步電機的相電阻RS、相電感LS、電機極對數P和電機反電動勢系數Ke，以及采樣電阻的大小，并輸入速度環和電流環的PID控制參數，用STM32CubeMX生成電機控制的初始化代碼。STM32CubeMX電機參數設置圖如圖1所示。

永磁同步電機采用無傳感器磁場定向控制策略，實際程序執行中，磁場定向控制程序在PWM中斷程序中執行，所以需要開啟中斷并設置在中斷中執行電機的中斷控制程序。把STM32CubeMX生成的初始化程序導入到MDK-ARM軟件平臺上。在MDK-ARM的工程中主要包含有五個文件夾，Application/MDK-ARM、Application/User、Drivers /STM32F3xx_HAL_Driver、Drivers/CMSIS、Middlewares /MotorControl。其中Application/User是用戶文件，包括main.c、motorcontrol.c、mc_api.c、mc_config.c、motor_control_protocal.c、mc_task.c等文件。Drivers/ STM32F3xx_HAL_Driver是STM32F3芯片系列的驅動文件。Drivers/CMSIS是STM32F3芯片系列的底層驅動文件，Middlewares/MotorControl是中間層文件，用來鏈接驅動文件和用戶文件。

在主函數main.c中，包含了TIM1_BRK-IRQn、ADC1_2_IRQn、USART2_ IRQn、EXTI15_10_IRQn四個中斷。其中，TIM1_BRK-IRQn中斷函數執行轉速閉環控制、電流閉環控制和SVPWM運算等功能。USART2_IRQn斷函數執行串口數據接收中斷功能，ADC1_2_IRQn中斷函數執行電流檢測任務，EXTI15中斷服務函數執行按鍵狀態檢測任務，當檢測到電機啟停控制鍵PC13電平狀態的變化時，進入中斷，根據電平狀態，執行電機運行起動函數MC_StartMotor1（）或者電機運行停止函數MC_StopMotor1（）。根據上述設計內容，系統控制程序流程圖表示為如圖2所示。

3結論

本文采用圖形化編程技術，在STM32CubeMX平臺上上自動生成芯片硬件抽象層和中間層代碼，在MDK-ARM平臺上嵌入核心代碼，本設計方法增強了代碼的執行效率和可靠性，降低了系統程序開發難度，為永磁同步電機控制器開發提供了一種有效的技術方案。

參考文獻

[1] 楊曉艷，陳亮. 基于STM32CubeMX的單片機最小系統設計[J]. 數字技術與應用，2018， 36（6）： 149-150.

[2] 羅清龍; 馮敏; 李清濤. 基于STM32CubeMX嵌入式實驗教學改革實踐[J]. 計算機教育，2018，1： 155-158.

[3] 林宗炮，黃啟鋒，王洪麗. 基于STM32-MAT的四輪小車控制器設計[J]. 機電技術，2019，6： 36-38.

作者簡介：黃永康（1997--）男，河南林州人，學生。

項目來源： 1、河南省重點研發與推廣專項（科技攻關）“新能源汽車變頻空調關鍵技術研究”（182102210458）、“高壓、超高壓輸變電站Cu/Al異種導體一體化研究”（182102210463）;? 2、南陽理工學院2018年《傳感器與測控電路》課程建設項目;3、南陽理工學院《傳感器原理與設計》、《生物化學》“課程思政”教育教學改革試點項目。