基于STM32F7的電機驅動系統(tǒng)設計

何龍

摘 要：文章采用基于Cortex-M7內核的STM32F7，設計了一套電機驅動系統(tǒng)，其具有串口通訊、以太網通訊、永磁同步電機驅動等功能。在軟件設計上，通過移植Rt-Thread實時操作系統(tǒng)，實現了多線程處理，同時合理地分配了中斷資源，保證電機驅動算法能夠得到及時運行。實現了id=0電機控制算法，并通過實驗驗證了其具有良好的控制精度。

關鍵詞：電機驅動；STM32；Rt-Thread

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0095-02

Abstract： Based on STM32F7 with a Cortex-M7 kernel， a motor drive system is designed， which has the functions of serial communication， Ethernet communication， permanent magnet synchronous motor drive and so on. In software design， multi-thread processing is realized by transplanting Rt-Thread real-time operating system， and interrupt resources are allocated reasonably to ensure that the motor drive algorithm can be run in time. The id=0 motor control algorithm is realized， and its good control accuracy is verified by experiments.

Keywords： motor drive； STM32； Rt-Thread

引言

傳統(tǒng)上，承載著關鍵電機控制算法的核心處理器主要為DSP。DSP芯片內部集成了模數轉換、電機控制PWM接口等，因此使得電機控制系統(tǒng)硬件設計靈活、簡易、集成度高，而且DSP尤其擅長高速運算，所以它們在電機控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

盡管DSP在電機控制市場表現出巨大的優(yōu)勢，但值得注意的是，ARM的最新一代內核Cortex-M7以其突出的性價比，越來越廣泛地進入電機控制領域。STM32F7工作頻率高達200MHz，采用6級超標量流水線和浮點單元，測試分數高達1000CoreMarks。本文采用基于Cortex-M7內核的STM32F7，設計了電機驅動系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構

電機驅動系統(tǒng)由控制電路、傳感器采樣電路、DC/DC電壓轉換電路、逆變電路組成[1]。如圖1所示，380V三相電通過AC/DC電壓轉換電路，轉換成直流電源，為逆變電路供電，逆變電路在控制電路輸出的PWM信號控制下驅動電機轉動，同時傳感器采樣電路采集電壓、電流、速度信息，并反饋到控制電路，從而實現電機驅動系統(tǒng)的閉環(huán)控制。電機驅動系統(tǒng)在驅動電機轉動的同時，將系統(tǒng)狀態(tài)通過以太網傳輸到計算機；同時Uart接口傳輸控制臺信息，控制系統(tǒng)運行。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)功率電路采用三相橋式整流電路，將三相交流電轉換為直流電，直流電通過三相全橋逆變電路驅動電機轉動。傳感器采樣電路采用霍爾電流傳感器精確采樣三相電流信號；通過運算放大器構建差分采樣電路獲取電壓信號；通過旋轉變壓器以及旋轉變壓器解碼芯片AD2S1205獲取轉子位置和速度信息；控制電路采用STM32F746NG為核心控制單元，并且擴展以太網芯片RTL8208。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件基于RT-Thread實時操作系統(tǒng)。RT-Thread 是一款由中國開源社區(qū)主導開發(fā)的開源嵌入式實時操作系統(tǒng)，它包含實時嵌入式系統(tǒng)相關的各個組件：實時操作系統(tǒng)內核，TCP/IP協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、libc接口、圖形引擎等[2]。

軟件劃分為電機控制線程、以太網接收線程，以太網發(fā)送線程、Http服務線程、tshell線程、phy監(jiān)控線程，其軟件結構見圖2。各個線程具體工作及其優(yōu)先級描述如下：

系統(tǒng)調度：RT-Thread的實時調度內核，實現各個線程的調度。

電機控制線程：解析接收到的控制命令，切換電機的工作狀態(tài)；根據電機運行狀態(tài)切換電機工作狀態(tài)；其優(yōu)先級為9。

以太網接收線程：檢測以太網連接狀態(tài)，并將以太網接收到的數據傳給上層協(xié)議；其優(yōu)先級為10。

以太網發(fā)送線程：接收上層協(xié)議傳來的數據，并發(fā)送；其優(yōu)先級為10。

Http服務線程：將采集到的電流、電壓、電機轉速等信息傳給上位機，并且接收上位機對電機的控制命令，其優(yōu)先級為11。

Phy監(jiān)控線程：監(jiān)控網絡連接狀態(tài)，包括網絡速度、工作模式等，根據網絡的實際連接狀態(tài)，調整phy的配置，大約每兩秒運行一次，其優(yōu)先級為29。

tshell線程：輸出系統(tǒng)調試信息，以及接收調試命令等；其優(yōu)先級為11。

此外，還有一個系統(tǒng)提供的空閑線程，它主要用于刪除線程，清理線程，統(tǒng)計系統(tǒng)運行狀態(tài)等，其優(yōu)先級為31。

4 電機控制算法

id=0控制也稱作恒轉矩角控制。在這種控制策略下，轉矩角一直維持在90°。該控制策略實現最為簡單，不管是凸極式還是隱極式永磁同步電動機，輸出的電磁轉矩與q軸電流成正比，電樞反應為零，其模型和直流電機模型類似，低速控制性能可以和直流電機相媲美[3]。

id=0控制程序運行于ADC檢測中斷中，程序運行周期為80us，電流環(huán)執(zhí)行周期為80us，速度環(huán)執(zhí)行周期為800us，程序運行時間為16us，可見STM32F7完全滿足算法運行的需要，并且有足夠的能力運行電機控制以外的串口通訊，以太網通訊等功能。

5 實驗分析

本是系統(tǒng)的實驗平臺包含了以下幾個部分：

兩臺帶有2500線編碼器的PMSM電機，組成對拖電機系統(tǒng)，電機參數見表1。

驅動系統(tǒng)電路板，包括：電機驅動板、信號處理板、STM32F746核心板。

運行于計算機的電機參數監(jiān)控軟件，通過以太網接口將計算機和電機驅動系統(tǒng)連接后，即可通過該軟件檢測、控制電機運行。

JN-338轉矩轉速測量儀，通過測量的數據，分析系統(tǒng)的控制精度。

實驗過程中，通過電機參數監(jiān)控軟件，向電機驅動系統(tǒng)發(fā)送給定轉速，同時JN-338轉矩轉速測量儀測量得到實際轉速，將兩者的誤差分析后，得到實驗結果，見圖3。可見電機驅動系統(tǒng)的轉速誤差小于0.018%。

6 結束語

本文采用STM32F7設計了一個電機驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用id=0電機控制算法，通過實驗證明其具有良好的控制精度。此外，該電機驅動系統(tǒng)移植了Rt-Thread實時操作系統(tǒng)，具有以太網通訊功能、串口通訊功能。

參考文獻：

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[3]劉紅偉.永磁同步電機控制策略及算法融合研究[C].中國科學院光電技術研究所，2014.

[4]勾占鋒.一種微型步進電機的驅動設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2012（24）：8-9.

[5]王智杰，蔡燕，姜文濤.三相12/8極開關磁阻電機驅動系統(tǒng)建模與仿真[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（05）：11.

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