基于STM32的永磁同步电机伺服控制器设计

摘要：首先介绍了永磁同步电机伺服控制器的基本功能及控制原理，并以STM32F407为基础进行了小功率的伺服控制器设计，详细讲述了伺服控制器的软、硬件的具体设计流程及其实现方式。并通过意法半导体公司提供的相关软件设计工具快速、有效地完成伺服控制器的设计、调试。

自20世纪90年代以来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制理论及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术得到极大的发展，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的进展。交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得交流伺服系统取代直流伺服系统，尤其是在高精度、高性能、智能化、模块化和网络化要求的伺服控制领域成了一个发展趋势。

在伺服控制器中，为了保证伺服控制良好的实时性、准确性及灵活性，常采用专用于电机控制的DSP(DSC)或FPGA作为控制核心，这些芯片都针对电机控制做了大量的优化，如：带死区的互补型PWM，多种触发、同步方式的快速ADC，高可靠性和抗干扰性。但它们都不约而同地将芯片的设计重心偏向了电机控制本身，而少了对网络化的支持。由于现在伺服控制器正在向智能化、网络化方向发展，DSP或FPGA作为伺服控制器的核心，不但应具有良好的电机控制特性，而且更要有良好的互联性，以适应伺服单元与其它控制设备间飞速增长的互联能力。这方面，意法半导体的基于ARM Cortex—M4内核的STM32F407系列芯片就做到非常到位，STM32F407芯片内置的单精度FPU和1MB的闪存，使它不但运算速度快(168 MHz，2.79Coremark/MHz)、运算精度高，使得复杂的电机控制算法得以实施，而且具有IEEE1588 v2 10/100 M以太网接口、CAN2.0接口和USART接口以方便和不同的控制设备互联互通。另外，芯片自带的加密/哈希硬件处理器保证了产品的知识产权不至轻易被盗。

使用意法半导体(ST)的STM32F407芯片不但在硬件上大幅减小了外部器件的种类及数量，降低了生产成本，提高了产品的可靠性;而且提供了通用外设库、DSP算法库、交流永磁电机(Permanent Magnet Synchronous Motor以下简称：PMSM)的场定向(Field Oriented Control以下简称：FOC)库，图形化芯片外设配置软件Microxplorer和支持实时变量监控及可视化调试的软件STMStudio，以加快设计开发人员的产品开发速度。

1 伺服控制器的方案设计

1.1 伺服控制器设计原理

由于伺服系统具有高带宽、高精度、大扭矩的特点，为达到伺服控制要求，采用技术成熟的交流永磁同步电机作为被控对象，将伺服系统设计成一个具有电流环、速度环、位置环三闭环回路的复合控制系统。

伺服系统最终追求的是外环定位的准确性和快速性，而外环的性能发挥在于内环的性能。电流内环的设计是高性能伺服系统的基础和前提，是提高伺服系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。伺服控制系统的原理框图见图1。

1.2 基于STM32F407芯片的伺服控制器的硬件实现

基于STM32F407芯片的伺服控制器原理框图如下：

由图2可知：基于STM32F407芯片的伺服控制器使用的元件少，结构简单，易于开发。现就基于STM32F407芯片的伺服控制器各部分分述如下：

1.2.1 电源供电

本方案中驱动的电机为24 V～48 V的中小功率PMSM，所以直流母线电压应该在DC 24 V～48 V之间，最低不能低于DC18 V。

采用L7815CP三端稳压模块将直流母线电压降为15 V，供IGBT驱动器L6390使用;

采用L7805CP三端稳压模块将15 V电压降为5 V，供电机的码盘、电流传感器ACS706、数据缓冲74LV244以及运放TSV994使用;

采用AMS1117低压差稳压器将5 V转为3.3 V，供SFM32F407芯片及UART PHY接口芯片C3222B、CAN PHY接口芯片4和以太网PHY接口芯片DP83848T供电。

1.2.2 与上位机/PLC的接口电路

本方案中与上位机/PLC的接口有三种方式，分别是RS232串口、CAN接口和以太网接口，因为STM32F407芯片不提供相应的物理层接口，为此选用ST公司的C3222B作为RS232的接口芯片，TI公司的SN65HVD234和DP83848T作为CAN和以太网的接口芯片。

1.2.3 IGBT及其驱动电路

本方案选用ST公司的IGBT，型号是STGF7NC60HD，该款IGBT的耐压为Vce=600V，在100℃时的允许电流为Ic=6 A，饱和压降Vces=2.4 V，栅极充电电荷Qg=48 nC，由于其Qg较小，所以其最大开关频率可达70 kHz。

选用的IGBT驱动芯片为ST公司的L6390半桥驱动芯片，它采用BCD离线技术，使其可以在600 V下工作。

1.2.4 电压电流采样电路

本方案先将直流母线电压通过电阻分压后，再用运放变换至合适的电平供STM32F407芯片内部的ADC采样。STM32F407芯片通过采样直流母线电压来进行直流母线纹波补偿。

本方案选用allegro公司的HALL电流传感器ACS706，来对V相、W相电流进行检测，并根据检测结果进行FOC控制算法，控制电机的转动。之所以选用ACS706，是为了进行高低压隔离，防止系统功率部分产生的干扰串入STM32F407芯片。

1.2.5 故障保护电路

在电流采样电路的基础上，通过比较器设定过流门限，当电流超限时，启动制动电路，停止PWM输出，并进行故障指示。

在电压采样电路的基础上，通过软件设定过压、欠压门限，当电压超限时，启动制动电路，停止PWM输出，并进行故障指示。

1.2.6 码盘接口电路

本方案通过74LV244将电机的HALL码盘信号由TTL电平变换为LVTTL信号，送STM32F407芯片进行处理。

1.3 基于STM32F407芯片的伺服控制器的软件实现