基于STM32 控制器的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究

黃英華，岳生偉

（安徽建筑大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，安徽合肥 238076）

在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)起著重要作用，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。隨著自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，永磁同步電機(jī)的性能和控制策略有較高的提升，同時(shí)工業(yè)界對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)也有著越來越高的要求[1-3]。我國(guó)對(duì)永磁同步電機(jī)交流控制技術(shù)研究較晚，直至20 世紀(jì)70 年代才開始著力于該方面的研究。到80 年代，已取得了較大的研究進(jìn)展，在控制策略與電機(jī)制造方面有了突破性成果[4-5]。但由于技術(shù)原因，國(guó)外對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)限制轉(zhuǎn)讓，國(guó)產(chǎn)化道路依然艱難。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的核心為控制策略的研究，傳統(tǒng)PID 控制一直深受研發(fā)人員的青睞，是工業(yè)界較為成熟的控制手段[6-8]。而采用滑膜控制可以使永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒性更強(qiáng)，但仍存在缺陷。有學(xué)者提出改進(jìn)的滑膜控制，將小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)植入滑膜控制理論，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力[9-11]。但該方法存在可能產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象無法恢復(fù)的缺陷，給工程應(yīng)用帶來不利影響。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等控制策略逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[12]。

文中以永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析不同的矢量控制方法。基于STM32 控制器對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)完成硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，介紹了硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計(jì)，最終在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性。

1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

1.1 基本結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)的定子在切割磁場(chǎng)過程中產(chǎn)生三相電流，根據(jù)安裝在永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的方式差異可以將轉(zhuǎn)子分為插入式、表貼式和內(nèi)裝式[13]。3 種轉(zhuǎn)子的原理如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)子的交直軸電感近似相等時(shí)，其磁導(dǎo)率和空氣的磁導(dǎo)率相等。該類電機(jī)為隱極式電機(jī)，其制造工藝較復(fù)雜、突擊性明顯。而內(nèi)裝式轉(zhuǎn)子的直軸電感較交軸電感大，過載能力高且功率密度較大[14]。基于以上永磁同步電機(jī)的分析，文中選取表貼式永磁電機(jī)(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor，SPMSM)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在理想條件下分析表貼式永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能、靜態(tài)性能，分別建立3 種坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型[15]。

在自然坐標(biāo)系中，兩極SPMSM 三相繞組的電壓方程可表示為：

式中，iA、iB、iC分別為三相電流分量，φA、φB、φC分別為三相繞組磁鏈，RS為定子繞組。其中，磁鏈方程可表示為：

轉(zhuǎn)矩方程可表示為：

其中，LAA、LBB、LCC均為繞組的自感，φf為轉(zhuǎn)子磁鏈。

上述坐標(biāo)系表示的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)較復(fù)雜，需通過解耦后適應(yīng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。ABC三軸與靜止坐標(biāo)系之間的關(guān)系如圖2 所示。從圖中可直觀看出各個(gè)矢量之間的聯(lián)系，每項(xiàng)磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流數(shù)值的乘積。

圖2 坐標(biāo)系之間的關(guān)系

由圖2 可得以下關(guān)系式：

式中，iA、iB、iC分別為A、B、C三相電流分量；N1、N2、N3分別為A、B、C三相繞組的匝數(shù)。

增加虛擬零軸磁動(dòng)勢(shì)，將等式化為矩陣形式，將式（4）經(jīng)Clark 變換及逆變換得到：

式中，io為單位矢。為保證總功率不變，應(yīng)使N3與N2的比值為，該變換關(guān)系適用于各種永磁同步電機(jī)。

1.3 矢量控制

矢量控制核心思想為：通過坐標(biāo)變換將復(fù)雜的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型解耦為模擬控制電機(jī)，以便對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。不同的控制方式對(duì)永磁同步電機(jī)產(chǎn)生不同的控制性能，轉(zhuǎn)子與定子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也影響控制方式的選擇[16]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素選擇合適的控制策略，常用的控制方式為弱磁控制、MTPA 控制及id=0矢量控制。根據(jù)AGV 永磁同步電機(jī)的功能用途與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，文中采用id=0 矢量控制方式建立雙閉環(huán)SPMSM 矢量控制系統(tǒng)[17-19]。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路部分以STM32控制器為核心部件，主要涉及開關(guān)電源電路、主控電路和檢測(cè)電路等。其中，開關(guān)電源電路為整個(gè)控制系統(tǒng)提供能源供應(yīng)，起到變換電壓、穩(wěn)定電流的作用，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定工作；主電路模塊可接收MCU 信號(hào)，控制永磁同步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。該永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 硬件電路總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)原理如圖4 所示。由圖可知，文中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于STM32 控制器的電流控制型反激式開關(guān)電源電路，該電路可為同步電機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)電路模塊提供電源，保證系統(tǒng)供電的可靠性。當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電能儲(chǔ)存于線圈內(nèi)；當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電能釋放傳輸至下級(jí)電路。

圖4 開關(guān)電源電路

2.3 主控電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)采用DSP 作為主流控制芯片，而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，STM 系列的ARM 控制器彌補(bǔ)了DSP 芯片的不足，逐漸被應(yīng)用于工業(yè)界，且因其價(jià)格低廉逐漸成為大眾選擇。文中的主控電路采用STM32 控制器作為控制系統(tǒng)的微處理器，其主要由時(shí)鐘電路、RS232 電路、復(fù)位電路組成。時(shí)鐘電路具有體積小、使用方便等特點(diǎn)，可對(duì)電流、電壓以及通信數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存；RS232 電路主要完成與上位機(jī)的通信功能，以及監(jiān)控整個(gè)控制系統(tǒng)；復(fù)位電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

2.4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路包括電流檢測(cè)電路、直流母線電壓檢測(cè)電路。電流檢測(cè)電路選用LA100-P 型號(hào)的傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，該傳感器具有精度高、測(cè)量方便的特點(diǎn)。測(cè)量時(shí)需要外接電阻，且輸出電壓不超過3 V，目的是保護(hù)芯片安全。直流母線電壓檢測(cè)電路采用蓄電池供電，對(duì)直流母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將檢測(cè)到的電壓作為輸入，該信號(hào)經(jīng)過處理后送到STM32控制器的ADC 端口進(jìn)行采樣，以完成對(duì)直流母線電壓的檢測(cè)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

軟件部分是永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，文中在軟件部分采用模塊化、多任務(wù)的編程方式。基于STM32F103ZET6 控制器，在Keil μVision4環(huán)境下進(jìn)行編譯。系統(tǒng)通電后，首先對(duì)各個(gè)變量進(jìn)行賦值，初始化STM32 的定時(shí)器、A/D 轉(zhuǎn)換器、儲(chǔ)存器。然后讀取EEPROM 中的數(shù)據(jù)，判斷是否啟動(dòng)。此外，通過上位機(jī)的控制系統(tǒng)來觀測(cè)系統(tǒng)波形，評(píng)估整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，直觀獲取電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 主程序設(shè)計(jì)框圖

3.2 A/D中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

基于控制系統(tǒng)矢量控制特性，設(shè)置電流調(diào)節(jié)周期為100 μs。程序進(jìn)入中斷，然后讀取轉(zhuǎn)子狀態(tài)信息，感知轉(zhuǎn)子所在電機(jī)位置角。若轉(zhuǎn)子狀態(tài)為正轉(zhuǎn)，則設(shè)置轉(zhuǎn)速和反饋速度，進(jìn)行做差比較。根據(jù)控制器得到速度調(diào)節(jié)的電流值，再通過坐標(biāo)變換得到電壓矢量αμ、βμ，并產(chǎn)生波形，完成閉環(huán)控制。A/D 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)為所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件控制策略，中斷程序通過讀取旋轉(zhuǎn)電機(jī)編碼電路的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)。整個(gè)中斷程序流程圖如圖6 所示。

圖6 A/D中斷服務(wù)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 平臺(tái)基本信息

文中通過基本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證基于STM32 控制器的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)性能及特性。該平臺(tái)主要由永磁同步電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、開關(guān)電源等組成，系統(tǒng)基于STM32 控制器可完成對(duì)控制系統(tǒng)的檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)編碼、發(fā)送指令、監(jiān)控等功能。該永磁同步電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 永磁同步電機(jī)基本參數(shù)

4.2 結(jié)果及分析

為驗(yàn)證所述控制系統(tǒng)的科學(xué)性，設(shè)定控制系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0 N·m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖7 所示。從圖中可以看出，該控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間很短，在1.8 s 時(shí)系統(tǒng)可以迅速地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，且到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后能維持系統(tǒng)狀態(tài)不變。

圖7 轉(zhuǎn)速波形

模擬9 種擾動(dòng)現(xiàn)象，擾動(dòng)采用人為改變轉(zhuǎn)子阻尼，在不同的擾動(dòng)下，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同，通過測(cè)量不同擾動(dòng)下永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將測(cè)量值與實(shí)際值進(jìn)行比較，計(jì)算每種擾動(dòng)下實(shí)際轉(zhuǎn)速與測(cè)量轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)誤差，以此反映該控制系統(tǒng)的性能。測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

如表2 所示，在擾動(dòng)情況下，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速呈增加趨勢(shì)，轉(zhuǎn)子的測(cè)量轉(zhuǎn)速亦呈增加趨勢(shì)。而轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差值控制在3%以內(nèi)，在接受范圍內(nèi)，可應(yīng)用于實(shí)際工程案例中。

5 結(jié)束語

文中以永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于STM32 控制器的PMSM 控制系統(tǒng)。其包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要包括開關(guān)電源電路、主控電路、檢測(cè)電路設(shè)計(jì)；軟件部分主要涉及主程序、A/D 中斷服務(wù)程序的開發(fā)。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了文中所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的可行性。通過分析得出，該控制系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可維持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的誤差在可接受范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)的預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)誤差，具備良好的工程應(yīng)用前景。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步研究電流環(huán)的永磁同步電機(jī)控制策略。