基于STM32F1xx系列單片機的PMSM控制技術

郝玉峰

摘 要

文章基于STM32F1系列單片機，采用FOC控制算法，實現對永磁同步電動機（SPMSM）的扭矩與轉速控制，采用三電阻法實現電流采樣，并通過Clark與Park變換方程與龍伯格狀態觀測器實現PMSM的無傳感器轉速與位置估算，反電動勢計算，并最終實現PMSM的啟動與轉速、電流雙閉環控制。

關鍵詞

永磁同步電機;STM32F1xx;無傳感器估算;三電阻法;狀態觀測器

中圖分類號： TM352 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.78

0 引言

永磁同步電機的控制算法眾多[1-2]，其中最簡單有效的控制策略便是6步法控制，這種控制方法雖然簡單，但是需要加裝霍爾傳感器用以檢測位置信號，根據霍爾傳感器的不同位置信息（一個電周期有6種不同位置信號），切換橋式換向電路進行電換向。由于這種算法只關心位置變化時刻的轉子位置信息，而對于兩個換向過程之間的位置和轉速信息無法得知，因此無法實現轉速和位置的精確控制，同時由于六步法輸出的控制波形為方波信號，其轉矩脈動也是極其難以消除的。因此這種控制算法雖然簡單，但是控制效果并不理想。

本文采用磁場定向控制算法（FOC）。FOC的主要特點是采用電壓空間矢量調制技術（SVPWM）直接著眼于如何使電機的磁鏈軌跡更接近于圓形。文章以STM32F1xx系列芯片的外設為基礎（參見參考文獻，本文并不多做介紹），搭建外圍硬件電路，采用三電阻法檢測各項電流，并經Clark與Park坐標變換方程將三相電流轉換到dq軸。控制過程為：轉速信號指令與電機實際轉速相比較，經過速度環的調整，輸出電流■q指令信號，此信號與檢測到的電流信號相比較，經電流環的調節，輸出電壓指令信號ud、uq。再經過坐標變換，返回到真實的ABC坐標系下輸出ua、ub、uc，經電壓空間矢量PWM調制后產生接近于正弦波的磁鏈控制永磁同步電機。PS為轉子位置和速度檢測傳感器，也可以是各種位置估算器，檢測轉子的位置，確定定子電流的相位，使與轉子磁鏈正交，產生最大的恒定轉矩。

1 FOC控制理論

FOC控制理論框圖如下圖所示，電流讀取三相電流經坐標變換后，轉換到dq軸，與給定的Iq與Id進行比較，經PID調解后輸出Vq與Vd，經Park反變換得到Va與Vβ，經SVPWM計算，得到三相占空比值，控制三相橋式逆變器實現FOC控制。

2 無傳感器轉子位置檢測

2.1 觀測器理論

根據控制理論，如果一個系統能夠完全通過其檢測到的輸出值來重構其系統狀態，則認為該系統是可觀測的;狀態觀測器根據所觀測系統的輸入及輸出值估計其內部狀態。

PMSM的馬達狀態方程如下：

在計算轉子位置和轉速的時候引入鎖相環（PLL），如圖3所示：

2.2 啟動策略與堵轉檢測

由于轉子位置估算需要首先知道電機的反電動勢，而在電機停轉或轉速很低的時候，無法檢測到反電動勢，因此電機需要自啟動。自啟動過程中，在定子中加入幅值及頻率都受控的電流。

當控制系統檢測到狀態觀測器和PLL都收斂時，自啟動過程完成，電機開始轉入正常運行模式。

轉子堵轉檢測是基于統計理論，因此并不是100%能夠判定成功。當反電動勢幅值較低時，轉速測量誤差變大，這種情況一般發生在電機低速時。

3 結論

文章分析了基于STM32F1xx系列芯片的電機庫函數的FOC控制算法，總結如下：

（1）電機運行的最低速度可以達到額定轉速的5%;

（2）控制算法對電機繞組的相電阻變化不敏感;

（3）控制算法對電機繞組的相電感變化中度敏感;

（4）FOC算法的執行時間大約為24us;

參考文獻

[1]周曉敏，王長松，鐘黎萍.基于卡爾曼濾波和高頻信號注入法的永磁同步電機轉子位置自檢測[J].北京科技大學學報，2008，30（7）：815-819.

[2]徐凱.無速度傳感器矢量控制系統轉速辨識的復合算法，控制與應用技術，2007.34（10）：18-22.