基￣ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６单片机的永磁同步电机控翩器设计 电工电气 （２０１３ Ｎｏ．７） 基于ＳＴＭ３２Ｆ１ ０３ＶＥＴ６单片机的永磁同步电机控制器设计 孔康，曲波 （苏州大学电子信息学院，江苏苏州２１ ５ ００６） 摘要： 设计了一种基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６单片机的永磁同步电机控制器。介绍了空间矢量控制算 法的控制原理，在ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６硬件平台上实现矢量控制算法和空间矢量脉宽调制的控制，通过速 度环和电流环的ＰＩＤ调节可对永磁同步电机做出精确的控制。给出了整个控制系统的软硬件设计方案 及软件架构。实验结果表明该控制器的设计方案可行，可广泛应用于各种数控系统。 关键词：永磁同步电机；矢量控制；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６单片机 中图分类号：ＴＭ３５１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—３１７５（２０１３）０７—００２１—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６ ＫＯＮＧＫａｎｇ，ＱｕＢｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２Ｆ １ ０３ＶＥＴ６．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｍａｄｅ ｔＯ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ＳＴＭ一 ３２Ｆ １ ０３ＶＥＴ６，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ＰＩＤ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｏｏｐｓ ｃｏｕｌｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ（ＮＣＳ）． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＳＴＭ３２Ｆ １ ０３ＶＥＴ６ ０ 引言 近年来，永磁电机在国防、工农业生产和日常 生活等方面获得越来越广泛的应用Ｈ 。永磁同步电 机相比传统电机结构简单、体积小、重量轻、损耗 小、效率高。 由于控制过程中有一定的计算量，所以过去大 部分控制器采用数字信号处理器（ＤＳＰ）作为其主芯 片，但是众所周知，ＤＳＰ在外设方面资源并不是很 丰富，而且价格偏高。而采用ＡＲＭ内核的ＳＴＭ３２系列 单片机（ＭＣＵ）则具有大量的外设，并且价格便宜，可 以在不影响电机控制的同时处理一些其他应用，大 大增强了其可用性。 整个矢量控制系统如图１所示，包括逆变器、空 间矢量脉宽调制（ＳｖＰｗＭ）、坐标变换（Ｃｌａｒｋｅ变换、Ｐａｒｋ 变换）、速度／位置反馈、ＰＩＤ调节 ］。 １空间矢量控制系统 图１矢量控制系统原理框图 按照算法的要求，首先把检测到的实际速度 作者简介：孑Ｌ康（１９８９一），男，硕士研究生，研究方向为信号检测与智能控制。 一２１ 电工电气（２０１３ Ｎｏ．７） 基￣ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６单片机的永磁同步电机控翩器设计 与参考速度 进行比较，由速度ＰＩＤ算出电流参考 按照ＰＩＤ￣Ｈ空间矢量脉宽调制算法的要求，硬件 电路可分为３个部分：控制器主控电路、功率驱动 电路、反馈电路。其中功率驱动电路包括ＭＯＳ驱动 输入毫，在本系统中ｌ—ｄ。参考输入始终为０。实际的电 流 则可以通过电机中三相电流经Ｃｌａｒｋｅ变 换￣ＤＰａｒｋ变换计算得到。分别与 和 比较后，由 电流ＰＩＤ可得到电压参考输入ｕ 。￣ｌ：ｌｕ 经Ｐａｒｋ逆变 换可得到ｕ 和ｕ 。最后经ＳＶＰＷＭ模块和逆变器产生 所对应的调制波形，控制电机的运转。 器和由６个ＭＯＳ管组成的逆变器。反馈电路包括速度 位置反馈、电流反馈。在实际设计中还要加入通信 模块，用来获取控制器的信息及对控制器发送指 令，本设计使用了串口￣ＨＣＡＮ两种通信方式，能有 效地应对各种环境下的应用。控制器的硬件设计框 ２控制系统硬件设计 图如图２所示。 Ｃｏｄｅｘ—Ｍ３内核 ＣＡＮ接Ｉ＝＿＝＿Ｊ ＣＡＮ收发器 ＳＮ６５ＨＶＤ２３０ ＣＡＮ 控制器 高级定 时器 Ｍ 昌 ＵＳＢ转串口 ＦＴ２３２ ＵＡ ｒ 量 ＪＴＡＧ ∞ 通用定 时器 ＡＤＣ ＨＥＤＭ光电旋转编码器 ＪＴＡＧ接口 苫 ∽ 放大器ＡＤ８２０７ Ｉ 采样电阻 看门狗 ＦＬＡＳＨ 驱 厂一动ｖ二动 驱鸺 控制器电源 ３．３Ｖ 图２控制器的硬件设计框图 驱 机源 一吲 ２．１主控电路 该控制器采用ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司生产的 ＳＴＭ３２ＦｌＯ３ＶＥＴ６单片机作为其控制芯片，其内核为 竖一 动ｖ一 一 ＡＤＵＭ３２２３输出端￣ＭＯＳＦＥＴ的栅极之间必须接一个合 适限流电阻，电阻过大会增￣ＭＯＳＦＥＴ管状态转换 的过渡时间，导致器件过热，如果电阻太小会使 ＭＯＳＦＥＴ管的ｄｕ／ｄｔ过大，导致ＭＯＳＦＥＴ管损坏。 ２．３反馈电路 该部分包括电流反馈和位置反馈两部分。电流 ＡＲＭ公司Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３，最高时钟频率可达７２ ＭＨｚ。该 芯片内部集成了大量的资源，其中定时器模块可 以用来产生ＳＶＰＷＭ，ＡＤＣ用来采集电机运行时的三相 电流，并且可以实时检测电机供电电源的电压及电 流，防止过压和过流。ＦＬＡＳＨ用来存储系统的一些 参数，包括电机的极对数、控制器的调制频率、采 检测采用采样电阻加运算放大器的方式，输出信号 接到ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６内部ＡＤＣ模块。此处由于采样信 号为双极性的信号，而ＳＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ＶＥＴ６只能为单极 样补偿值、过压和过流范围等。从以上条件看该芯 片足以满足电机控制的需求。 ２．２功率驱动电路 性输入信号，所以必须加上一个偏执电压，使其变 为单极性，本设计偏置电压为１．２５Ｖ。 为了精确地控制ＡＤｃ模块的转换时刻，可通过设 置ＥＸＴＴＲＩＧ控制位，使得外部事件可以触发ＡＤＣ的转 换，触发来自用于产生ＳＶＰＷＭ的高级定时器ＴＩＭ１，触 发时刻如图３所示。图３中ＯＣＲ１、ＯＣＲ２、ＯＣＲ３、ＯＣＲ４分 别为高级定时器ＴＩＭ１中４个通道输出比较的值，在计 数器计数到与之相等时就会改变输出状态。ＴＩＭ１ ＣＨ１、 ＴＩＭＩ ＣＨ２、ＴＩＭ１ ＣＨ３、ＴＩＭ１ ＣＨ４为定时器的４个通 由于该部分包含了从控制器传输来的弱控制信 号和驱动电机所需的大电流，所以为了使控制信 号不被驱动电流干扰，必须把两者隔离。本设计 在此处选用了ＡＤＩ公司的ＡＤＵＭ３２２３芯片作为ＭＯＳＦＥＴ 驱动器。该芯片内部采用了磁隔离的方式，支持 ３．３～５ Ｖ的逻辑输入、４．５～１８ Ｖ的输出，可以很好 地驱动ＭＯＳＦＥＴ。在高端驱动的部分，采用了泵电源 设计，可以保证高端的ＭＯＳＦＥＴ管的正常导通。在 道实际输出波形。其中当计数器的值与ＯＣＲ４￣Ｈ等时 就会产生一个信号来触发ＡＤＣ转换。 一２２ 基￣７＝ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６单片机的永磁同步电机控翩器设计 电工电气（２ｏ１ ３ Ｎｏ．７） ……一～ ｏＣＲ４ ０ＣＲｌ ／ ＼ ｏＣＲ２ ／ ＼ ＯＣＲ３ ／ ＼ ／ ＼ ＡＤｆ！ 图３ ＡＤＣ触发 位置反馈采用Ａｇｉ１ｅｎｔ的ＨＥＤＭ系列光电旋转编 码器，该位置编码器有两路正交脉冲信号Ａ、Ｂ和一 路零位脉冲信号。由于该编码器为５ Ｖ输出，为了 能和ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６的３．３ Ｖ电压相匹配，在两者之 间需加一个ＬＭ３３９比较器将电压转换为３．３ Ｖ。零位 脉冲信号作为一个外部中断，可以避免累计误差。两 路正交信号与芯片中的通用定时器ＴＩＭ３￣连接，把 ＴＩＭ３设置为编码器模式，计数方式为ＴＩｌ、ＴＩ２在跳 变时都计数，这样可以把编码器的分辨率提高到４ 倍。编码器输入波形如图４所示。 垒厂］厂］ 厂］厂］ ｒ＿］ｒ＿］ｒ＿］ｒ＿］厂 图４编码器输入 ３系统软件设计 整个系统软件由主程序和中断子程序组成，在 ＩＡＲ６．３的环境下编译实现的。由于ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６ 为３２位芯片，所以为了计算方便，用Ｑ１５格式来代 替浮点运算，这样可以防止在做乘法运算时溢出。参 与计算的电压全部为实际电压转换后的标幺值，这 样能使程序的可移植性更强。 ３．１软件架构 为了提高整个系统软件的通用性及可移植性，本 设计采用分成的设计方法，主要分为应用层、Ｆ０Ｃ 算法层、板级驱动层。Ｆ０Ｃ算法层向应用层提供了 速度／位置设置接口、Ｆ０Ｃ算法配置接口（包括ＰＩＤ参 数、电机参数、调制频率等）。而板级驱动层则向 Ｆ０Ｃ算法层提供了速度／位置反馈（可以为编码器或 ＨＡＬＬ传感器）、电流／电压反馈（包括三相电流、保 护电流／电压等）、ＳＶＰＷＭ输出接口等。 ３．２主程序 主程序开始阶段完成对系统的初始化，包括系 统时钟的初始化、看门狗初始化、ＮＶＩＣ寄存器配 置、ＦＬＡＳＨ初始化、Ｓｙｓｔｉｃｋ系统时钟设置等。其次 是对通信模块进行设置，在本系统中使用了串口作 为通信方式，但在硬件上预留了ＣＡＮ通信。然后是 设置有关电机驱动的一些配置，包括产生ＳＶＰＷＭ的 定时器、编码器接口定时器、ＡＤＣ反馈等。接下来 由于本系统采用了增量式编码器，所以必须对电机 的位置进行定位 。最后就是循环接收串口发来的 命令及执行命令。主程序流程图如图５所示。 系统初始化 ＵＡＲＴ初始化 创建一个电机变量 设置电机变量参数 初始化高级定时器 （产生ＳＶＰＷＭ） 初始化通用定时器 （接收编码器信号） ＡＤＣ初始化 使用ＳＶＰＷＭ产生中断 电机初始位置定位 执行命令 图５主程序流程图 ３．３中断子程序 中断子程序流程图如图６所示。 一２３— 电工电．＿【 （２０１３ Ｎｏ．７） 基于ＳＴＭ３２ＦＩＯ３ＶＥＴ６￣片机的永磁同步电机控翱器设计 ＳＶＰＷＭ中断入口 中断子程序中实现的。由于ＳＶＰＷＭ调制和ＰＩＤ计算是 异步的，并且ＳＶＰＷＭ中断优先级相对较高，所以为了防 止电压ＰＩＤ还没有完全计算结束就被ＳＶＰＷＭ模块用来 计算，使用了一个变量ｐｉｄ ｆｌａｇ来标识ＰＩＤ现在的状 态，在ｐ ｆｌａｇ＝Ｏ时，ＳＶＰＷＭ模块会用旧的电压值 保存现场 巾断屏蔽 读取编码器值 进行计算，直￣ＩＪＰＩＤ计算结束，使ｐｉｄ ｆｌａｇ＝ｌ。 计算电机位置及转速 ４结语 本文在充分研究以ＡＲＭ公司Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３为内核的 更新 、 控制器ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＥＴ６的基础上，给出了ＡＤＣ、定时 器等内部硬件模块的资源分配，以及它们在电机 Ｐａｒｋ逆变换 驱动上的应用方法，同时也介绍了相关外围器件的 特点及应用。在软件设计上通过对控制器进行Ｃ语 言编程，完成转子速度／位置反馈、电流反馈、ＰＩＤ 调节、换向控￣＊ＨＳＶＰＷＭ输出等控制功能。采用模 判断扇区 计算定时器各 通道通断时间 块化的设计方法也提高了系统的设计效率及可移植 性，并且增加了参数的易修改性。 通过进一步的实验研究表明，该系统设计合 理，ＳＴＭ３２ＦｌＯ３ＶＥＴ６上充足的硬件资源及强大的运 算能力满足永磁同步电机控制过程中的所有的需 求，可以很好地应用在各种伺服控制中。 参考文献 ［１］黄守道，魏彦．永磁无刷电动机的技术发展及应用 ［Ｊ］．大众用电，２００２（１）：２０ ２１． ［２］范红梅．ＰＩＤ参数工业整定方法及其应用［Ｊ］．数字石 油和化工，２００６（６）：４３—４６． 输出电压欠量 清除中断标志 恢复现场 中断返回 图６中断子程序流程图 为了保证系统的性能，在ＳＶＰＷＭ中断子程序中 只对电机的位置进行更新（三相电流的值是硬件自 动更新的，并不影响软件效率），然后通过ＳＶＰＷＭ产 生算法输出一个新的电压矢量 ，使其始终保证输 出力矩最大。而系统内部对速度、电流的ＰＩＤ计算 并不需要与ＳＶＰＷＭ的频率一致，可以在其他定时器 ［３］杨立永，陈为奇．永磁同步电机转子初始位置检测 研究［Ｊ］．电气传动，２０１２，４２（３）：５７—６１． ［４］周卫平，吴正国．电压空间矢量脉宽调制的简单快 速算法［Ｊ］．电工电能新技术，２００５，２４（２）：２８—３０． 收稿日期：２０１３—０３—０７ 《电工电气》征稿启事 《电工电气》杂志是经国家新闻出版总署批准，由《江苏电器》杂志更名而来。 《电工电气》的办刊宗旨 及业务范围为：追踪行业热点，报道前沿技术，传递市场信息，搭建行业技术交流和推广‘应用平台，推动电工 电气技术发展，为电工电气行业服务。《电工电气》主要刊登电工电气、高低压电器及成套设备和控制设备、无 功补偿、节能技术、计算机在电工电气领域的应用等方面的科研、设计、标准、检测及新技术、新工艺、新材 料等的论文、技术报告和信息与技术交流方面的文章，不收版面费，并支付稿费。欢迎广大作者踊跃投稿，对 有价值、水平高的论文将优先刊登。 《电工电气》编辑部 ２０１３年７月 ２４——
