基于STM32 控制器的永磁同步電機控制系統研究

黃英華，岳生偉

（安徽建筑大學城市建設學院，安徽合肥 238076）

在工業生產實踐中，永磁同步電機交流伺服系統起著重要作用，在各個領域的應用日趨廣泛。隨著自動化技術的迅速發展，永磁同步電機的性能和控制策略有較高的提升，同時工業界對永磁同步電機控制系統也有著越來越高的要求[1-3]。我國對永磁同步電機交流控制技術研究較晚，直至20 世紀70 年代才開始著力于該方面的研究。到80 年代，已取得了較大的研究進展，在控制策略與電機制造方面有了突破性成果[4-5]。但由于技術原因，國外對永磁同步電機控制系統的核心技術限制轉讓，國產化道路依然艱難。永磁同步電機控制系統的核心為控制策略的研究，傳統PID 控制一直深受研發人員的青睞，是工業界較為成熟的控制手段[6-8]。而采用滑膜控制可以使永磁同步電機控制系統的魯棒性更強，但仍存在缺陷。有學者提出改進的滑膜控制，將小波神經網絡植入滑膜控制理論，提高控制系統的響應能力[9-11]。但該方法存在可能產生擾動現象無法恢復的缺陷，給工程應用帶來不利影響。隨著人工智能技術的不斷發展，神經網絡、深度學習等控制策略逐漸成為國內外學者的研究熱點[12]。

文中以永磁同步電機控制系統為研究對象，重點研究永磁同步電機的結構和工作原理，分析不同的矢量控制方法?；赟TM32 控制器對永磁同步電機控制系統完成硬件設計與軟件設計，介紹了硬件系統的整體結構和軟件程序設計，最終在實驗平臺上驗證了該控制系統的可行性。

1 永磁同步電機的數學模型

1.1 基本結構

永磁同步電機的定子在切割磁場過程中產生三相電流，根據安裝在永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的方式差異可以將轉子分為插入式、表貼式和內裝式[13]。3 種轉子的原理如圖1 所示。

圖1 轉子結構示意圖

轉子的交直軸電感近似相等時，其磁導率和空氣的磁導率相等。該類電機為隱極式電機，其制造工藝較復雜、突擊性明顯。而內裝式轉子的直軸電感較交軸電感大，過載能力高且功率密度較大[14]?；谝陨嫌来磐诫姍C的分析，文中選取表貼式永磁電機(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor，SPMSM)作為驅動電機。

1.2 數學模型

在理想條件下分析表貼式永磁同步電機的動態性能、靜態性能，分別建立3 種坐標系的數學模型[15]。

在自然坐標系中，兩極SPMSM 三相繞組的電壓方程可表示為：

式中，iA、iB、iC分別為三相電流分量，φA、φB、φC分別為三相繞組磁鏈，RS為定子繞組。其中，磁鏈方程可表示為：

轉矩方程可表示為：

其中，LAA、LBB、LCC均為繞組的自感，φf為轉子磁鏈。

上述坐標系表示的永磁同步電機控制系統較復雜，需通過解耦后適應永磁同步電機控制系統。ABC三軸與靜止坐標系之間的關系如圖2 所示。從圖中可直觀看出各個矢量之間的聯系，每項磁動勢為有效匝數與電流數值的乘積。

圖2 坐標系之間的關系

由圖2 可得以下關系式：

式中，iA、iB、iC分別為A、B、C三相電流分量；N1、N2、N3分別為A、B、C三相繞組的匝數。

增加虛擬零軸磁動勢，將等式化為矩陣形式，將式（4）經Clark 變換及逆變換得到：

式中，io為單位矢。為保證總功率不變，應使N3與N2的比值為，該變換關系適用于各種永磁同步電機。

1.3 矢量控制

矢量控制核心思想為：通過坐標變換將復雜的永磁同步電機數學模型解耦為模擬控制電機，以便對電機進行控制。不同的控制方式對永磁同步電機產生不同的控制性能，轉子與定子的結構特點也影響控制方式的選擇[16]。在實際工程應用中，應結合應用場景、轉子結構、環境因素選擇合適的控制策略，常用的控制方式為弱磁控制、MTPA 控制及id=0矢量控制。根據AGV 永磁同步電機的功能用途與轉子結構特點，文中采用id=0 矢量控制方式建立雙閉環SPMSM 矢量控制系統[17-19]。

2 控制系統的硬件設計與實現

2.1 系統硬件總體結構

永磁同步電機控制系統硬件電路部分以STM32控制器為核心部件，主要涉及開關電源電路、主控電路和檢測電路等。其中，開關電源電路為整個控制系統提供能源供應，起到變換電壓、穩定電流的作用，保障系統的穩定工作；主電路模塊可接收MCU 信號，控制永磁同步電機的正反轉狀態。該永磁同步電機控制系統硬件電路的總體結構示意圖如圖3 所示。

圖3 硬件電路總體結構示意圖

2.2 開關電源電路設計

控制系統的開關電源設計原理如圖4 所示。由圖可知，文中的控制系統設計了基于STM32 控制器的電流控制型反激式開關電源電路，該電路可為同步電機控制系統的各個電路模塊提供電源，保證系統供電的可靠性。當功率開關管導通時，電能儲存于線圈內；當功率開關管關閉時，電能釋放傳輸至下級電路。

圖4 開關電源電路

2.3 主控電路設計

傳統的永磁同步電機控制系統采用DSP 作為主流控制芯片，而隨著半導體技術的不斷發展，STM 系列的ARM 控制器彌補了DSP 芯片的不足，逐漸被應用于工業界，且因其價格低廉逐漸成為大眾選擇。文中的主控電路采用STM32 控制器作為控制系統的微處理器，其主要由時鐘電路、RS232 電路、復位電路組成。時鐘電路具有體積小、使用方便等特點，可對電流、電壓以及通信數據進行儲存；RS232 電路主要完成與上位機的通信功能，以及監控整個控制系統；復位電路結構簡單，主要對控制系統進行復位。

2.4 檢測電路設計

檢測電路包括電流檢測電路、直流母線電壓檢測電路。電流檢測電路選用LA100-P 型號的傳感器進行電流檢測，該傳感器具有精度高、測量方便的特點。測量時需要外接電阻，且輸出電壓不超過3 V，目的是保護芯片安全。直流母線電壓檢測電路采用蓄電池供電，對直流母線電壓進行實時監測，將檢測到的電壓作為輸入，該信號經過處理后送到STM32控制器的ADC 端口進行采樣，以完成對直流母線電壓的檢測。

3 控制系統的軟件設計與實現

3.1 系統主程序設計

軟件部分是永磁同步電機控制系統的關鍵部分，文中在軟件部分采用模塊化、多任務的編程方式?；赟TM32F103ZET6 控制器，在Keil μVision4環境下進行編譯。系統通電后，首先對各個變量進行賦值，初始化STM32 的定時器、A/D 轉換器、儲存器。然后讀取EEPROM 中的數據，判斷是否啟動。此外，通過上位機的控制系統來觀測系統波形，評估整個控制系統的性能，直觀獲取電機運行狀態?？刂葡到y的主程序設計框圖如圖5所示。

圖5 主程序設計框圖

3.2 A/D中斷服務程序設計

基于控制系統矢量控制特性，設置電流調節周期為100 μs。程序進入中斷，然后讀取轉子狀態信息，感知轉子所在電機位置角。若轉子狀態為正轉，則設置轉速和反饋速度，進行做差比較。根據控制器得到速度調節的電流值，再通過坐標變換得到電壓矢量αμ、βμ，并產生波形，完成閉環控制。A/D 中斷服務程序設計為所設計系統的軟件控制策略，中斷程序通過讀取旋轉電機編碼電路的永磁同步電機轉子位置信息，調節轉速環。整個中斷程序流程圖如圖6 所示。

圖6 A/D中斷服務程序流程圖

4 實驗結果及分析

4.1 平臺基本信息

文中通過基本實驗平臺驗證基于STM32 控制器的永磁同步電機控制系統性能及特性。該平臺主要由永磁同步電機、驅動控制系統、開關電源等組成，系統基于STM32 控制器可完成對控制系統的檢測、旋轉編碼、發送指令、監控等功能。該永磁同步電機的相關參數如表1 所示。

表1 永磁同步電機基本參數

4.2 結果及分析

為驗證所述控制系統的科學性，設定控制系統負載轉矩為0 N·m，轉子轉速為1 000 r/min。永磁同步電機轉速波形如圖7 所示。從圖中可以看出，該控制系統的響應時間很短，在1.8 s 時系統可以迅速地到達穩定狀態，且到達穩定狀態后能維持系統狀態不變。

圖7 轉速波形

模擬9 種擾動現象，擾動采用人為改變轉子阻尼，在不同的擾動下，其轉子轉速不同，通過測量不同擾動下永磁同步電機的轉速，并將測量值與實際值進行比較，計算每種擾動下實際轉速與測量轉速之間的相對誤差，以此反映該控制系統的性能。測試結果如表2 所示。

表2 測試結果

如表2 所示，在擾動情況下，轉子的實際轉速呈增加趨勢，轉子的測量轉速亦呈增加趨勢。而轉速的相對誤差值控制在3%以內，在接受范圍內，可應用于實際工程案例中。

5 結束語

文中以永磁同步電機控制系統為對象，設計了基于STM32 控制器的PMSM 控制系統。其包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要包括開關電源電路、主控電路、檢測電路設計；軟件部分主要涉及主程序、A/D 中斷服務程序的開發。通過搭建實驗平臺驗證了文中所設計控制系統的可行性。通過分析得出，該控制系統性能優于傳統PID 控制系統，該控制系統可維持穩態運行中的誤差在可接受范圍內，符合設計的預期標準誤差，具備良好的工程應用前景。在后續研究中，將進一步研究電流環的永磁同步電機控制策略。