基于ARM的永磁同步伺服電機驅動控制系統設計

摘要：以永磁同步電機（PMSM）伺服驅動控制方法為研究對象，設計一種PMSM驅動控制系統，采用STM32F407ZET6作為主控芯片，并設計了PMSM驅動控制系統的硬件電路和軟件程序。對電機實體進行調試實驗，證明了該驅動控制系統的可行性和實用性。

關鍵詞：PMSM驅動控制;STM32F407ZET6;調試實驗

0 ? ?引言

近年來，PMSM驅動控制系統逐漸趨于數字化實現，本文采用矢量控制策略和PID控制算法，在研究PMSM伺服驅動的控制原理基礎上，初步設計出一種PMSM驅動控制系統。

1 ? ?PMSM的矢量控制系統模型

PMSM伺服系統是一個強耦合、非線性的復雜系統，需選擇合適的控制策略來提高系統的控制效果，本文選擇電流內環和速度外環的雙閉環矢量控制策略[1]進行控制。

電流內環由PI進行控制，P環節主要是用來提高系統的響應速度，I環節則可減小系統的穩態誤差。兩路PI控制器分別以id和iq的偏差值為給定值，以udref和uqref為輸出值。速度外環也采用PI進行控制。在速度環節中，位置檢測裝置通過光電編碼器檢測出PMSM轉過的角度θ，再通過速度計算得出PMSM的角速度ωr，并以ωr的偏差值作為速度PI的輸入值，以iqref為輸出值。

2 ? ?系統硬件設計

該驅動控制系統的總體硬件結構包括ARM主控制器的最小系統電路、電機控制接口電路、電機驅動逆變電路、電源模塊電路、電流采集電路和電機速度檢測電路。

ARM主控制器最小系統電路主要有主控芯片的電源轉換、復位電路、晶振電路以及下載和調試接口，電機矢量控制接口電路主要有電流反饋信號電路、編碼器反饋信號電路和互補PWM輸出電路。此外，在上述主要電路中還設計了保護電路，對PMSM驅動控制系統的過流、過壓、欠壓等情況進行保護，以防發生意外事件。

2.1 ? ?控制模塊

STM32F407ZET6芯片[2-4]的高級定時器可以產生3對互補帶死區的PWM波;GPIO口的外部中斷可檢測增量式編碼器的反饋信息;ADC模塊可以接收電流采集信號，FPU負責內部浮點數據處理，USART串口負責與上位機通信交互數據，因此符合PMSM驅動控制的需求。

2.2 ? ?驅動逆變模塊

本系統的驅動逆變電路主要工作就是驅動PMSM正常運轉，包括逆變電路和驅動電路。其中，驅動電路負責將主控芯片發出的6路PWM控制信號進行驅動放大，逆變電路則在該信號的控制下將直流母線電壓逆變成三相正弦波，為PMSM供電。逆變電路采用的是比較經典的三相橋式逆變電路，功率開關元件選擇IGBT管，驅動電路則采用了驅動模塊IR2136。

2.3 ? ?編碼器信號處理電路

選用的伺服電機同軸安裝有增量式光電編碼器[5]，可作為PMSM的位置傳感器來檢測其轉子的轉角和轉速。在PMSM轉動過程中，編碼器會輸出A、B、Z三組差分信號，該信號需經過信號處理電路處理后再送給主控制器進行電機轉子轉速的檢測。

2.4 ? ?電流采樣處理電路

本文采用兩個霍爾電流傳感器Honeywell CSNE151-100分別對A、B兩相進行電流采樣，其工作電壓為+15 V，可接收PMSM的單相電流信號，輸出-5～+5 V的電壓信號，再送至主控制器的ADC模塊進行數據采集。

3 ? ?系統實驗開發平臺

本文設計的伺服系統所采用的PMSM為南京東豪電機技術有限公司的110DH-A06020H，其電機參數如下：額定轉速2 000 r/min;額定電壓/電流AC220 V/6 A;轉子慣量1.0×10-3 kg·m2;轉子磁鏈0.33 Wb;定子電感0.5 mH;極對數為2。由電機手冊資料可知，取Kp=112，Ki=54。由此可計算出PMSM的速度傳遞函數為：

Gω（s）= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）為速度PI控制的被控對象。PMSM驅動控制的實驗平臺如圖1所示。

本文設計了一種簡單的上位機監控界面，用來與主控制器互通信息，實現數據交流。該上位機以PC機作為主機，在Visual Studio 2012集成開發環境[6]下的Windows窗體中繪制系統界面和編寫應用程序，通過串口與下位機即主控制器進行通信。界面圖形如圖2所示。

本文實驗中所用電機的額定轉速為1 500 r/min，上位機界面可實時顯示電機速度的波形圖，如圖3所示。

其中，黑線為電機速度設定值，灰線為速度實際值。開始時，通過上位機監測界面將速度值設定為1 500 r/min;在t=48 s時，速度增加至2 000 r/min;在t=82 s時，速度降低至1 250 r/min。由圖3可知，系統開始工作后，電機轉速迅速上升至1 500 r/min，且無超調，t=2 s后，系統開始穩定運行，即調節時間為2 s。在速度增加或降低時，系統均能快速反應并穩定運行。

4 ? ?結語

本文所設計的PMSM驅動控制系統采用了STM32F407ZET6做主控器，設計了相關的硬件模塊和軟件控制模塊。實驗結果表明，該系統能夠實現伺服電機的穩定運行，且性能良好，具有一定的實用性和創新性。

[參考文獻]

[1] 張燕紅，王磊，吳璇，等.基于ARM的高性能交流伺服電機系統設計[J].微特電機，2018，46（5）：14-17.

[2] 曾成.基于STM32的直驅式自動門控制策略研究[D].南京：東南大學，2019.

[3] 彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-

M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4] 張瑞，田永全，趙陽，等.基于STM32微控制器穩定平臺數字控制系統的設計[J].彈箭與制導學報，2020（6）：1-4.

[5] 劉朝陽.基于增量式光電編碼器的自動扶梯多參數測試儀研究[D].重慶：重慶大學，2014.

[6] 吳璇.基于ARM的永磁同步伺服電機驅動控制的研究[D].南通：南通大學，2018.

收稿日期：2020-07-27

作者簡介：吳璇（1992—），女，江蘇徐州人，碩士，助理講師，研究方向：智能控制。