意法半导体支持自动化和工业领域的各种电机控制

前言

电机驱动是自动化工业市场的一个主要特点，在电机控制领域的深耕多年的意法半导体 （ST）拥有各种电机专用软硬件解决方案，为满足各种应用需求，ST MC（电机控制）生态系统含有整体解决方案，例如，评估板、固件 （FW）库和相关资料。

现在ST MC生态系统新增一个叫做STM32 PMSM FOC SDK v4.0的永磁同步电机（PMSM）控制固件库。这些工具是意法半导体在数控和功率系统解决方案领域多年积累的深厚知识和系统经验的结晶，有助于缩短客户产品研发周期，加快对意法半导体产品的评估。事实上，意法半导体支持自动化和工业领域的各种电机控制，这归功于创新的产品组合，包括 功率晶体管、智能功率模块 、电机驱动器芯片和最新的微控制器。

PMSM FOC SDK功能和专用算法提升了意法半导体工业电机驱动产品评估的实用价值。

为实现这个目标，硬件和固件解决方案必须协同工作。此外，为取得最高的电机控制性能，大家非常熟悉的三相无刷电机矢量控制技术（FOC）新增多种不同的专用算法。

图1：自动化和工业电机控制

意法半导体早在多年前就开始矢量控制技术的研发，2009年发布了首款支持STM32微控制器及STM32电机控制开发板的3相电机控制固件库。此后，该解决方案被不断完善，新增多项功能：

• 无传感器式永磁电机控制（两个互补算法、反电动势状态估计器和高频注入）

• 固件库完全可配置，支持STM32F全系产品（F0、F1、F2、F3、F4），支持意法半导体的功率级产品（如SLLIMM智能功率模块）或分立解决方案（功率MOSFET、IGBT、栅驱动器）

• 通过PC机软件（ST MC Workbench）配置固件库，帮助用户设置系统，在PC机与固件之间实时通信

• 通过一个微控制器同时驱动两个电机的“双驱”电机控制

• 其它功能，例如：磁通量弱化、内磁式电机MTPA （最大转矩电流比）和正馈电流调节

固件与硬件工具（控制级+功率级或整体解决方案）配合使用，有助于用户快速开始产品原型设计

图2： 永磁同步电机控制生态系统

STM32 FOC SDK V4.0 新功能

STM32 FOC SDK V4.0是该固件库的2014年最新版，其架构改进之处主要是固件的易用性，强化易用性有助于用户加快产品设计，缩短研发周期，这两个因素是电子企业取得成功的关键。为提高软件开发工具的易用性，从源代码到PC机图形用户界面软件，意法半导体电机控制生态系统新增很多功能，并配有一套开发资料，其中包括技术文档、常见问题解答、演示文稿、软件示例、用例、教程和视频。 所有资料都放在标准软件和固件包内，用户可以从意法半导体官网下载软件包，若需要完整的C语言源代码，用户须向所在地意法半导体代表处申请。

STM32 FOC SDK V4.0生态系统包括快速高效设计所需的两大工具：固件库和PC图形用户界面软件。

从高性价比的48Mhz Cortex-M0 STM32F030x，到集成各种模拟IP模块的STM32F30x，再到最先进的支持浮点指令的180Mhz Cortex-M4 STM32F4，久负盛誉的STM32矢量控制固件库支持STM32 F全系产品。从医疗用小型电机，到工厂自动化或电力牵引用大型伺服电机，STM32覆盖各种电机控制应用领域。不同于其它品牌的电机控制解决方案，STM32 FOC固件库采用了面向对象的方法，这也是意法半导体固件库支持不同系列微控制器的原因。

除保留上一版软件抽象层结构严谨的优点外，V4.0版还简化了Workspaces，减少了每次配置的项目数量。此外，固件库支持的IDE开发环境过去只有IAR Embedded Workbench，现在还支持KEIL Microvision集成开发环境。

电机控制应用编程界面（API）是上一版的旗舰技术，新版中的API增加了新的功能。此外，新版软件包还增加一套软件示例。用户可以利用电机控制API导出的函数实现典型用例，将其用于最终应用设计中，例如：

• 根据模拟输入电压设置转速参考值；

• 输出PWM信号与转速测量值保持比例关系；

• 实时修改控制器带宽等参数；

• 实时修改控制环路的转速传感器和位置传感器参数

实现这个功能所需的全部代码都在软件示例内，可以用作创建更复杂项目的基础，也可以视为理解API本身背后逻辑的参考指南。电机控制库兼作一个黑匣子，说明如何向电机发布命令，例如，启动、停止或减速，还可用于接收电机反馈信号，例如，转速、转矩或功率的测量值。固件库还能让客户专注应用顶层研发，利用特定的战略知识设计差异化解决方案。

图 3： MC SDK 4.0用户界面

在4.0版中，固件用户界面有两个通信通道。如果控制板装有LCD液晶屏，则可以实现一个轻量（小代码量）的LCD图形用户界面，简版LCD能够让用户更灵活地定制图形用户界面，增加更多的用户固件互动功能。如果控制板没有LCD屏幕，则可以通过USART在固件和PC机之间建立实时通信通道。V4.0还可以建立快速的单向通信通道，让固件能够以最大速率向PC机连续不断地发送数据，不包含用于监视快速变化的变量的控制字节。

Workbench的其它新功能：

• 无传感器启动设置窗口新增强加电流和加速图形用户界面，为用户带来参数描述视觉化的好处

• 与工具捆绑发行的Workbench项目配置更加丰富，覆盖各种参考设计板

• Workbench与技术文档之间的链接被强化，在程序菜单内输入一个新项目后，用户被直接转向技术文档：快速入门、用户手册、开发人员手册和API参考手册

• 此外，Workbench从上一版开始完全支持数字PFC插接板，现在还能够设置功率级AC输入范围，处理已实现的安全功能，例如，过流和过压，让用户在驱动管理级设置适合的阈值

利用高频注入法实现零速控制

新版固件的改进之处不局限于使用体验和易用性。4.0版包含一个新的无传感器控制算法以及上一版的“最先进”的BEMF状态估计器，新的无传感器控制算法叫做“高频注入（HFI）”，适用于内磁式永磁同步电机（PMSM）。在这种电机内，磁体不是装在转子表面，而是埋在转子的铁芯内。内磁式永磁同步电机 出现电感异向性，从绕组与象限和直轴的关系中不难看出这一点（Lq不同于 Ld）。

图 4： 电机磁结构

高频注入方法利用磁体结构的异向性检测低速和静止转子的角位置，这种无传感器检测技术扩大了反电动势 （BEMF）估计器或者反向电磁力检测技术的转速检测范围。因为反电动势幅度与电机转速是比例关系，所以，当电机静止或转速极低时，反电动势幅度因太小而不易被发现。基于一种完全不同的物理学原理的高频注入法可以控制低转速运行的电机。脉动场被注入到电机内， 利用电机磁结构内的电流计算电角。为了避免产生额外的转矩，注入频率的设定值必须高于基本频率。像是用X射线扫描电机，检测转子相对磁体结构异向性的电位置。这种方法适用于静止到低转速阶段，与反电动势估计器协同工作，根据电机转速实时自动切换控制方法。这种新算法将属于意法半导体为客户提供的多项电机控制SDK创新专利技术，具有多项优点：

• 零速全转矩

• 低速运转

• 无传感器式启动，无反向旋转

• 最快的无传感器式启动

• 无传感器正（顺时针）反（逆时针）向转速检测

此外，该解决方案可提升受益于启动效率的应用系统的价值，包括空气压缩机、低速运行或反向旋转（洗衣机或工业自动化、电动自行车或牵引电机）以及更多新兴应用。

意法半导体硬件工具

意法半导体为其电机控制固件库提供配套评估板，让用户能够在实际电机控制系统内评测意法半导体产品，例如，智能功率模块（SLLIMM）、IGBT、栅驱动器、电机控制芯片和微控制器。针对三相电机控制应用，我们主要介绍以下内容：

由控制板和功率板构成的灵活的模块化系统，其中，控制板装有任何一款 STM32 F0、F1、F2、F3或F4微控制器，以及丰富的功能外设，例如，MEMS、温度传感器、外部存储器、LCD液晶屏、收发器、摄像头等；在功率板上有基于SLLIMM （小型模塑低损耗智能功率模块）的变频器或者功率MOSFET或IGBT和栅驱动器的分立器件。控制板和功率板可以通过意法半导体的标准“电机控制连接器”相连，确保控制级和功率级全面兼容。

图5： 灵活的系统控制板和功率板

1. 单板电机驱动解决方案：在一块电路板上集成电机驱动所需全部功能，适合某些特定应用：空调、吊扇、洗碗机等；以STEVAL-IHM034V2为例，该方案能够驱动最高1.4kW的永磁同步电机PMSM，再连接一块电路板，能够同时驱动两台电机（FOC）。

图 6： 完整的电机驱动器

结论

我们简要介绍了最新版MC FOC SDK的新功能特性，意法半导体的自动化和工业控制解决方案不断增加新的功能、技术和产品，扩大意法半导体电机控制生态系统，以顺应在工具易用性和快速评估的趋势，同时关注能效、集成度和成本优化等设计问题。