基于STM32F103和IFOC的三相交流感應(yīng)電機測控系統(tǒng)設(shè)計

楊根蓮，李信德，寧平華

（1.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，馬鞍山243031；2.湖南工程學(xué)院，湘潭411104）

0 引 言

交流感應(yīng)電機因為結(jié)構(gòu)牢固，運行穩(wěn)定可靠，成本低廉和高效率而被廣泛使用，但是交流電機的電磁關(guān)系具有多變量、非線性和強耦合特性，用傳統(tǒng)的方法很難對其進(jìn)行精確控制，因而限制了它在精確定位、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制等場合中的應(yīng)用［1］.近年來，隨著交流電機控制理論研究的不斷深入，新的交流電機控制算法也層出不窮，為交流感應(yīng)電機應(yīng)用范圍的擴(kuò)大提供了可能.間接磁場定向控制就是其中之一，它采用轉(zhuǎn)子磁場定向的方法，實現(xiàn)定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的動態(tài)解耦，采用PI連續(xù)調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁場的控制.為實現(xiàn)這些功能需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運算及實時控制，對微處理器運算能力和速度要求很高.用傳統(tǒng)的單片機來控制很難滿足要求.本系統(tǒng)選用ST公司STM32F103RC控制器，它是一款基于ARM Cortex－M3內(nèi)核且擁有豐富外圍資源的高性價比32位微控制器.它最高72MHz的時鐘頻率以及片內(nèi)三相PWM波發(fā)生器、正交編碼器接口、ADC以及CAN、USB等多種通信接口使IFOC算法能夠高效便捷的實現(xiàn).

1 IFOC算法

1.1 算法簡介

IFOC算法的核心思想就是通過坐標(biāo)變換將定子電流分解為產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，使感應(yīng)電動機的控制能像直流電動機控制一樣簡單.因為轉(zhuǎn)子磁通矢量要通過定子電流和其它參數(shù)計算獲得，因此稱為間接磁場定向控制［2］.

1.2 算法的主要內(nèi)容

為了求得轉(zhuǎn)矩電流分量iq及磁場電流分量id與電機相電流ia，ib，ic的關(guān)系，需要進(jìn)行Clarke變換和Park變換，Clarke變換是將三相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系（也稱3／2變換），Park變換則是將兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（也稱矢量旋轉(zhuǎn)變換）.

當(dāng)電機定子繞組采用星形接法時，Clarke變換關(guān)系為：

上述方程中因為定子采用三相星形接法，所以ia＋ib＋ic＝0.α，β坐標(biāo)系相對于定子是靜止的，且坐標(biāo)系的α軸與等效的三相系統(tǒng)的a相夾角θ為零.

Park變換將靜止的α，β坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)的d，q坐標(biāo)系，其關(guān)系式為：

式中，λ是α軸與d軸之間的夾角，λ＝ω1t＋λ0，λ0是初始位置角.但是要實現(xiàn)IFOC控制還有一個條件必須滿足，α軸的方向必須與轉(zhuǎn)子的磁場方向相同.以上兩種變換中各坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示.

圖1 Clarke和Park變換中各坐標(biāo)系的關(guān)系

將異步電機的電壓方程和磁通方程變換到d，q坐標(biāo)系中，表示如下：

由于我們在Park變換時使d軸與轉(zhuǎn)子磁通保持一致，所以Ψqr＝0，Ψdr＝Ψr.因此可得到電機的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁通分別為［3］：

其中P為定子的極數(shù)，τ為轉(zhuǎn)子時間常數(shù).

由式（5）和（6）可知轉(zhuǎn)子的磁化分量和電磁轉(zhuǎn)矩分量已經(jīng)解耦，轉(zhuǎn)子內(nèi)的磁通大小只取決于定子電流在d軸上的分量，而在保持轉(zhuǎn)子磁通不變的前提下電機的電磁轉(zhuǎn)矩只取決于定子電流在q軸上的分量.

1.2 算法實現(xiàn)的主要步驟

·測量電機的數(shù)值（相電壓和電流）.

·用Clarke轉(zhuǎn)換將它們轉(zhuǎn)換成2相系統(tǒng) （α，β）.

·計算轉(zhuǎn)子磁通空間矢量的大小和角度位置.

·用Park轉(zhuǎn)換將定子電流轉(zhuǎn)換成d，q坐標(biāo)系統(tǒng).

·定子電流的轉(zhuǎn)矩（iqs）和磁通（ids）分量由控制器分別進(jìn)行控制.

·用去耦模塊計算定子電壓空間矢量的輸出值.

·通過Park反向轉(zhuǎn)換將定子電壓空間矢量從d，q坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換回相對于定子靜止的2相系統(tǒng).

·通Clarke反變換轉(zhuǎn)換將輸出正弦調(diào)制生成3相輸出電壓.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)以上對算法的分析和用戶對該類產(chǎn)品的典型需求，硬件總體設(shè)計如圖2所示.STM32F103RC是系統(tǒng)的控制核心，它根據(jù)用戶本地鍵盤輸入或RS232通信所下達(dá)的命令，對交流電機進(jìn)行閉環(huán)控制.控制環(huán)中前向通道是通過SVPWM驅(qū)動模塊將算法的結(jié)果轉(zhuǎn)變成三相上、下橋臂IGBT驅(qū)動信號對IPM模塊進(jìn)行驅(qū)動以控制交流電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)；后向通道包括兩路反饋信號，一路采集定子的電流，另一路獲取轉(zhuǎn)子的位置和速度.除此以外還包括電源變換及電壓監(jiān)測模塊和電機實時數(shù)據(jù)顯示的液晶模塊.

圖2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖

2.1 STM32F103控制模塊

STM32F103RC是整個測控系統(tǒng)的控制核心，它是ST公司推出的基于ARM Cortex－M3架構(gòu)的32位嵌入式微控制器.它最高工作頻率可達(dá)72 MHz，具有單周期乘法和硬件除法功能，片內(nèi)擁有256K字節(jié)的Flash ROM和64K的SRAM，且設(shè)有3路16通道的12位ADC和2路12位DAC和11個16位定時器（其中兩個高級定時器可設(shè)置成帶死區(qū)時間控制和急停輸入的三相PWM發(fā)生器），還包括IIC、USART、CAN、USB2.0在內(nèi)的多種通信接口以及JTAG程序燒寫和在線調(diào)試接口等外設(shè)資源［4］.以上資源為整個算法實現(xiàn)和系統(tǒng)的實時控制提供較好的解決方案.

2.2 電源與液晶顯示模塊

系統(tǒng)控制電源采用24V開關(guān)電源供電，系統(tǒng)所用芯片供電等級為以下幾種：一種為15V，給IPM模塊TSM1818供電；另一種為5V，包括液晶顯示模塊和編碼器差分信號接收芯片26LS32等；第三種為3.3V，包括主控芯片STM32F103RC及電源監(jiān)測芯片MAX708，因此需要采用兩級降壓穩(wěn)壓電路.前兩級將24V變?yōu)?5V和5V，考慮到壓差較大，若用線性穩(wěn)壓芯片如78L05則發(fā)熱過大，所以選用開關(guān)型穩(wěn)壓芯片LM2567－5.0，保證系統(tǒng)控制部分供電穩(wěn)定、高效；第二級將5V變?yōu)?.3V，選LM1117－3.3即可，圖3（a）、（b）分別為5V和3.3 V穩(wěn)壓電路.顯示采用320＊240點陣顯示模塊JRD320240D，以RA8802為驅(qū)動芯片.

圖3 電源穩(wěn)壓

2.3 JTAG、鍵盤與RS232接口

因為按鍵較少，所以每一個按鍵單獨連接一個IO腳進(jìn)行檢測.RS232通信接口用ST3232作電平轉(zhuǎn)換，如圖4所示.

圖4 RS232通信接口

2.4 編碼器反饋和定子電流采樣調(diào)理模塊

PWM調(diào)速過程中，必然伴隨著電壓、電流的突變.因此在系統(tǒng)設(shè)計時，一方面要設(shè)法減少這些突變產(chǎn)生EMI；另一方面要設(shè)法提高易感元件的抗干擾能力.編碼器產(chǎn)生的5V反饋信號從電機的軸端要經(jīng)過較長線路的傳輸后才能送入控制器進(jìn)行處理，很容易受到干擾.為提高該類信號的抗干擾能力，A、B、Z信號均采用差分信號傳輸，在進(jìn)入控制器前再用26LS32將差分信號轉(zhuǎn)變成單極信號，如圖5所示.定子電流檢測電路通過電阻取樣，將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，再經(jīng)過運放調(diào)理成0～3.3V信號送入控制器ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如圖6所示.

2.5 SVPWM驅(qū)動模塊和IPM模塊

為提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用三菱公司的TSM1818智能功率模塊，該智能模塊集整流、逆變及剎車功能于一體.系統(tǒng)只需將三相電源和控制器產(chǎn)生的經(jīng)過高速光藕6N139隔離后的三相SVPWM信號送入IPM模塊即可實現(xiàn)對電機的控制.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ST公司提供了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫和電機控制函數(shù)庫2.0，在庫中對IFOC算法需要進(jìn)行的基本事件定義了相應(yīng)的函數(shù)，因此軟件設(shè)計的任務(wù)相對較輕［5］.圖7為軟件的總體架構(gòu)，需要進(jìn)行的工作為以下幾方面：①根據(jù)系統(tǒng)的硬件配置對庫中的函數(shù)參數(shù)進(jìn)行定制；②設(shè)計點陣液晶驅(qū)動程序、按鍵檢測程序；③RS232通信接口配置及事件響應(yīng)程序；④在庫函數(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計本系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和用戶接口程序，圖8為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度和用戶接口main函數(shù)流程.

4 結(jié)束語

本文對當(dāng)前較為流行的IFOC算法進(jìn)行了較為深入的探討，并對以STM32F103RC作為控制器的三相異步電機測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計方法做了詳細(xì)的介紹.通過樣機的測試結(jié)果表明，該設(shè)計方案能較好的完成對三相交流感應(yīng)電機的調(diào)速控制與運行狀態(tài)監(jiān)測.但研究過程中發(fā)現(xiàn)IFOC算法實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)轉(zhuǎn)子磁通的間接測量很容易受溫度等外界因素的影響而導(dǎo)致誤差，因此必須采取措施進(jìn)行補償，這也是本系統(tǒng)后續(xù)的研究重點和改進(jìn)方向.

［1］ 高景德，等.交流電機及其系統(tǒng)的分析（第二版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：305－402.

［2］ 陳 堅.交流電機數(shù)控模型及調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1989：40－114.

［3］ T.A.Lipo and D.W.Novotny.Vector Control and Dynamics of AC Drives［M］.Oxford University Press，1996.

［4］ ST.STM32F103xC，STM32F103xD，STM32F103xE［EB／OL］.www.st.com，2009.

［5］ ST.UM0483User Manual［EB／OL］.www.st.com，2008.