意法半導體支持自動化和工業(yè)領域的各種電機控制

前言

電機驅(qū)動是自動化工業(yè)市場的一個主要特點，在電機控制領域的深耕多年的意法半導體 （ST）擁有各種電機專用軟硬件解決方案，為滿足各種應用需求，ST MC（電機控制）生態(tài)系統(tǒng)含有整體解決方案，例如，評估板、固件 （FW）庫和相關資料。

現(xiàn)在ST MC生態(tài)系統(tǒng)新增一個叫做STM32 PMSM FOC SDK v4.0的永磁同步電機（PMSM）控制固件庫。這些工具是意法半導體在數(shù)控和功率系統(tǒng)解決方案領域多年積累的深厚知識和系統(tǒng)經(jīng)驗的結晶，有助于縮短客戶產(chǎn)品研發(fā)周期，加快對意法半導體產(chǎn)品的評估。事實上，意法半導體支持自動化和工業(yè)領域的各種電機控制，這歸功于創(chuàng)新的產(chǎn)品組合，包括 功率晶體管、智能功率模塊 、電機驅(qū)動器芯片和最新的微控制器。

PMSM FOC SDK功能和專用算法提升了意法半導體工業(yè)電機驅(qū)動產(chǎn)品評估的實用價值。

為實現(xiàn)這個目標，硬件和固件解決方案必須協(xié)同工作。此外，為取得最高的電機控制性能，大家非常熟悉的三相無刷電機矢量控制技術（FOC）新增多種不同的專用算法。

圖1：自動化和工業(yè)電機控制

意法半導體早在多年前就開始矢量控制技術的研發(fā)，2009年發(fā)布了首款支持STM32微控制器及STM32電機控制開發(fā)板的3相電機控制固件庫。此后，該解決方案被不斷完善，新增多項功能：

? 無傳感器式永磁電機控制（兩個互補算法、反電動勢狀態(tài)估計器和高頻注入）

? 固件庫完全可配置，支持STM32F全系產(chǎn)品（F0、F1、F2、F3、F4），支持意法半導體的功率級產(chǎn)品（如SLLIMM智能功率模塊）或分立解決方案（功率MOSFET、IGBT、柵驅(qū)動器）

? 通過PC機軟件（ST MC Workbench）配置固件庫，幫助用戶設置系統(tǒng)，在PC機與固件之間實時通信

? 通過一個微控制器同時驅(qū)動兩個電機的“雙驅(qū)”電機控制

? 其它功能，例如：磁通量弱化、內(nèi)磁式電機MTPA （最大轉(zhuǎn)矩電流比）和正饋電流調(diào)節(jié)

固件與硬件工具（控制級+功率級或整體解決方案）配合使用，有助于用戶快速開始產(chǎn)品原型設計

圖2： 永磁同步電機控制生態(tài)系統(tǒng)

STM32 FOC SDK V4.0 新功能

STM32 FOC SDK V4.0是該固件庫的2014年最新版，其架構改進之處主要是固件的易用性，強化易用性有助于用戶加快產(chǎn)品設計，縮短研發(fā)周期，這兩個因素是電子企業(yè)取得成功的關鍵。為提高軟件開發(fā)工具的易用性，從源代碼到PC機圖形用戶界面軟件，意法半導體電機控制生態(tài)系統(tǒng)新增很多功能，并配有一套開發(fā)資料，其中包括技術文檔、常見問題解答、演示文稿、軟件示例、用例、教程和視頻。 所有資料都放在標準軟件和固件包內(nèi)，用戶可以從意法半導體官網(wǎng)下載軟件包，若需要完整的C語言源代碼，用戶須向所在地意法半導體代表處申請。

STM32 FOC SDK V4.0生態(tài)系統(tǒng)包括快速高效設計所需的兩大工具：固件庫和PC圖形用戶界面軟件。

從高性價比的48Mhz Cortex-M0 STM32F030x，到集成各種模擬IP模塊的STM32F30x，再到最先進的支持浮點指令的180Mhz Cortex-M4 STM32F4，久負盛譽的STM32矢量控制固件庫支持STM32 F全系產(chǎn)品。從醫(yī)療用小型電機，到工廠自動化或電力牽引用大型伺服電機，STM32覆蓋各種電機控制應用領域。不同于其它品牌的電機控制解決方案，STM32 FOC固件庫采用了面向?qū)ο蟮姆椒?，這也是意法半導體固件庫支持不同系列微控制器的原因。

除保留上一版軟件抽象層結構嚴謹?shù)膬?yōu)點外，V4.0版還簡化了Workspaces，減少了每次配置的項目數(shù)量。此外，固件庫支持的IDE開發(fā)環(huán)境過去只有IAR Embedded Workbench，現(xiàn)在還支持KEIL Microvision集成開發(fā)環(huán)境。

電機控制應用編程界面（API）是上一版的旗艦技術，新版中的API增加了新的功能。此外，新版軟件包還增加一套軟件示例。用戶可以利用電機控制API導出的函數(shù)實現(xiàn)典型用例，將其用于最終應用設計中，例如：

? 根據(jù)模擬輸入電壓設置轉(zhuǎn)速參考值；

? 輸出PWM信號與轉(zhuǎn)速測量值保持比例關系；

? 實時修改控制器帶寬等參數(shù)；

? 實時修改控制環(huán)路的轉(zhuǎn)速傳感器和位置傳感器參數(shù)

實現(xiàn)這個功能所需的全部代碼都在軟件示例內(nèi)，可以用作創(chuàng)建更復雜項目的基礎，也可以視為理解API本身背后邏輯的參考指南。電機控制庫兼作一個黑匣子，說明如何向電機發(fā)布命令，例如，啟動、停止或減速，還可用于接收電機反饋信號，例如，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率的測量值。固件庫還能讓客戶專注應用頂層研發(fā)，利用特定的戰(zhàn)略知識設計差異化解決方案。

圖 3： MC SDK 4.0用戶界面

在4.0版中，固件用戶界面有兩個通信通道。如果控制板裝有LCD液晶屏，則可以實現(xiàn)一個輕量（小代碼量）的LCD圖形用戶界面，簡版LCD能夠讓用戶更靈活地定制圖形用戶界面，增加更多的用戶固件互動功能。如果控制板沒有LCD屏幕，則可以通過USART在固件和PC機之間建立實時通信通道。V4.0還可以建立快速的單向通信通道，讓固件能夠以最大速率向PC機連續(xù)不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)，不包含用于監(jiān)視快速變化的變量的控制字節(jié)。

Workbench的其它新功能：

? 無傳感器啟動設置窗口新增強加電流和加速圖形用戶界面，為用戶帶來參數(shù)描述視覺化的好處

? 與工具捆綁發(fā)行的Workbench項目配置更加豐富，覆蓋各種參考設計板

? Workbench與技術文檔之間的鏈接被強化，在程序菜單內(nèi)輸入一個新項目后，用戶被直接轉(zhuǎn)向技術文檔：快速入門、用戶手冊、開發(fā)人員手冊和API參考手冊

? 此外，Workbench從上一版開始完全支持數(shù)字PFC插接板，現(xiàn)在還能夠設置功率級AC輸入范圍，處理已實現(xiàn)的安全功能，例如，過流和過壓，讓用戶在驅(qū)動管理級設置適合的閾值

利用高頻注入法實現(xiàn)零速控制

新版固件的改進之處不局限于使用體驗和易用性。4.0版包含一個新的無傳感器控制算法以及上一版的“最先進”的BEMF狀態(tài)估計器，新的無傳感器控制算法叫做“高頻注入（HFI）”，適用于內(nèi)磁式永磁同步電機（PMSM）。在這種電機內(nèi)，磁體不是裝在轉(zhuǎn)子表面，而是埋在轉(zhuǎn)子的鐵芯內(nèi)。內(nèi)磁式永磁同步電機 出現(xiàn)電感異向性，從繞組與象限和直軸的關系中不難看出這一點（Lq不同于 Ld）。

圖 4： 電機磁結構

高頻注入方法利用磁體結構的異向性檢測低速和靜止轉(zhuǎn)子的角位置，這種無傳感器檢測技術擴大了反電動勢 （BEMF）估計器或者反向電磁力檢測技術的轉(zhuǎn)速檢測范圍。因為反電動勢幅度與電機轉(zhuǎn)速是比例關系，所以，當電機靜止或轉(zhuǎn)速極低時，反電動勢幅度因太小而不易被發(fā)現(xiàn)?；谝环N完全不同的物理學原理的高頻注入法可以控制低轉(zhuǎn)速運行的電機。脈動場被注入到電機內(nèi)， 利用電機磁結構內(nèi)的電流計算電角。為了避免產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，注入頻率的設定值必須高于基本頻率。像是用X射線掃描電機，檢測轉(zhuǎn)子相對磁體結構異向性的電位置。這種方法適用于靜止到低轉(zhuǎn)速階段，與反電動勢估計器協(xié)同工作，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速實時自動切換控制方法。這種新算法將屬于意法半導體為客戶提供的多項電機控制SDK創(chuàng)新專利技術，具有多項優(yōu)點：

? 零速全轉(zhuǎn)矩

? 低速運轉(zhuǎn)

? 無傳感器式啟動，無反向旋轉(zhuǎn)

? 最快的無傳感器式啟動

? 無傳感器正（順時針）反（逆時針）向轉(zhuǎn)速檢測

此外，該解決方案可提升受益于啟動效率的應用系統(tǒng)的價值，包括空氣壓縮機、低速運行或反向旋轉(zhuǎn)（洗衣機或工業(yè)自動化、電動自行車或牽引電機）以及更多新興應用。

意法半導體硬件工具

意法半導體為其電機控制固件庫提供配套評估板，讓用戶能夠在實際電機控制系統(tǒng)內(nèi)評測意法半導體產(chǎn)品，例如，智能功率模塊（SLLIMM）、IGBT、柵驅(qū)動器、電機控制芯片和微控制器。針對三相電機控制應用，我們主要介紹以下內(nèi)容：

由控制板和功率板構成的靈活的模塊化系統(tǒng)，其中，控制板裝有任何一款 STM32 F0、F1、F2、F3或F4微控制器，以及豐富的功能外設，例如，MEMS、溫度傳感器、外部存儲器、LCD液晶屏、收發(fā)器、攝像頭等；在功率板上有基于SLLIMM （小型模塑低損耗智能功率模塊）的變頻器或者功率MOSFET或IGBT和柵驅(qū)動器的分立器件?？刂瓢搴凸β拾蹇梢酝ㄟ^意法半導體的標準“電機控制連接器”相連，確保控制級和功率級全面兼容。

圖5： 靈活的系統(tǒng)控制板和功率板

1. 單板電機驅(qū)動解決方案：在一塊電路板上集成電機驅(qū)動所需全部功能，適合某些特定應用：空調(diào)、吊扇、洗碗機等；以STEVAL-IHM034V2為例，該方案能夠驅(qū)動最高1.4kW的永磁同步電機PMSM，再連接一塊電路板，能夠同時驅(qū)動兩臺電機（FOC）。

圖 6： 完整的電機驅(qū)動器

結論

我們簡要介紹了最新版MC FOC SDK的新功能特性，意法半導體的自動化和工業(yè)控制解決方案不斷增加新的功能、技術和產(chǎn)品，擴大意法半導體電機控制生態(tài)系統(tǒng)，以順應在工具易用性和快速評估的趨勢，同時關注能效、集成度和成本優(yōu)化等設計問題。