电力电子器件中双电机控制和数字PF设计

变频器(Variable-frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。 [1]变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。

20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。1968年以丹佛斯为代表的高技术企业开始批量化生产变频器，开启了变频器工业化的新时代。 [3]20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。 [3]20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的 VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。 最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。

相比较国外变频器的发展状况，我国的变频器应用起步较晚，直到20世纪90年代末期才得到较为广泛的推广。国内变频技术发展状况，可以概括为：变频器的整体技术相对落后，和国外在变频调速研究上取得的先进成果比，存在着较大的差距;变频器使用的核心部件技术空白，目前来说，变频器的生产中需要的关键功率器件，在国内几乎没有厂家可以生产，导致我们核心技术受制于国外，必须依靠进口;主要产品集中在低压产品和中低端市场。由于产品可靠性和工艺水平不高，目前国内变频器产品主要面向低压和对性能要求一般的市场，高性能、大功率市场主要被国外大公司占领。 [11]步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。上海和深圳成为国产变频器发展的前沿阵地。

电力电子器件的自关断化、模块化，变流电路开关模式的高频化和控制手段的全数字化促进了变频电源装置的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全数字化，利用了微型计算机的巨大的信息处理能力，其软件功能不断强化，使变频装置的灵活性和适应性不断增强。现在中小容量的一般用途的变频器已经实现了通用化。采用大功率自关断开关器件(GTO、BJT、IGBT)作为主开关器件的正弦脉宽调制式(SPWM)变频器，已成为通用变频器的主流。

尽管专用双模控制器和低端定点DSP架构已经问世，但是意法半导体仍然选择使用Cortex-M3内核开发STM32微控制器。这个解决方案可很好地满足大量的无刷电机驱动器的要求，从一次性工程费用的角度看，该解决方案的优点是采用行业标准的ARM?内核和标准微控制器的成本效益。

基于Harvard架构，这个32位RISC采用Thumb2指令集，提供16位和32位指令。对比纯32位代码，这个指令集能够大幅提高代码密度，同时保留原有ARM7指令集的多数优点(附加优化的乘加运算和硬件除法指令)。

电机控制系统要求微控制器须具备卓越的实时响应性(中断延时短)、纯处理功能(如单周期乘法)以及优异的控制性能(当处理非序列执行流和条件转移指令时)。Cortex-M3能够满足所有这些要求。例如，当时钟频率是72MHz时，在25μs内对一个永磁电机完成一次无传感器磁场定向控制，这相当于在10 kHz采样率下25% 的CPU负荷。

意法半导体扩大32位STM32微控制器(MCU)支持的电机矢量控制函数库，新增了支持单旁路无传感器控制、内部永磁(IPM)电机控制和永磁同步(PMSM)电机弱磁控制的算法。目前市场上大约已有40种电机控制应用采用了意法半导体的基于Cortex-M3的STM32微控制器。 在设计人员目前可以获得的新算法中，单旁路电流感应支持功能只需要一个电流感应电阻器，比需要三个电阻器的普通无传感器控制机制更加节省系统成本。单旁路电流感应是意法半导体开发的一项专利技术，具有直流总线电压利用率高、电流失真小和可听噪声低等优点。通过增加一个"最大化转矩电流比"(MTPA)控制算法，扩大的函数库给设计人员提供了更大的自由设计空间，使他们能够灵活地定义无刷IPM电机的电气参数，满足实际应用对电机的高功率密度和高速性能的需求。基于这些新的算法，开发人员可以充分利用STM32丰富的电机控制外设，包括STM32集成的两个三相PWM定时器，使一个微控制器可以同时控制两个无刷电机。通过打破一个微控制器控制一个电机的规则，设计人员使用STM32可以节省成本，降低设计尺寸和功耗，而且不会对性能有任何影响。微控制器集成的三个模数转换器能够支持高精度电机驱动器用的三路采样保持电流捕获。因为STM32采用先进的ARMCortex-M3CPU工业标准架构，用户在STM32上开发电机控制解决方案要比使用企业专有架构更节省时间。

即使最复杂的算法几乎也无法修正不精确的模拟测量值，但是，在某种程度上，电机驱动系统的总体性能取决于模数转换器的质量。STM32F103芯片内置三个采样率为1MSps的12位模数转换器，在整个温度和电压范围内，总不可调整误差 (TUE)低于5 LSB.模数转换器的数字接口有三个主要功能：首先，使CPU摆脱简单控制任务和数据处理;其次连接芯片的其余部件(中断请求、DMA请求、触发输入);最后，使STM32的多路转换器同步操作。

在这些对无刷电机控制有用的功能中，我们首先考虑通道读序列发生器。对比传统的扫描电路(按照模拟输入序号，按序转换一定数量的通道)， 在一个16个转换通道组成的顺列(例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11)内，序列发生器可按任何顺序转换通道，当设计人员在设计印刷电路板时，这个功能给设计人员带来更高的设计灵活性，为实现平均转换目的，准许对同一通道进行多次采样(在一个序列内)，当整个序列转换完毕后，DMA通道将转换结果送到RAM,中断处理程序产生一个中断请求。

在检测电机相位电流的过程中，瞬变电压在功率开关上产生的噪声(在离线开关应用中，典型噪声达到几百个V/μs)是引起读取误差的一个重要原因，可能导致测量结果的信噪比非常低。解决方案是使模数转换器与控制功率级的定时器同步：因为换向时刻可以预定(由3 PWM定时器的比较寄存器定义)，所以可以使用一个额外比较通道在换向时刻稍前或稍后触发模数转换操作。基于这个原因，STM32启用了第二个序列发生器(又称注入序列发生器)，该序列发生器的优先级高于正常序列发生器，可以用一个不能延迟的新转换操作使当前的转换操作中断。通常情况下，正常序列发生器负责"内部管理"转换，连续检测温度或直流总线电压(作为后台任务)，然后通过DMA通道发送到RAM,而注入序列发生器则将处理时间关键的转换操作，并将转换结果存储在模数转换器寄存器(将会产生一个中断，但是不能接受延时)。

对于一个能够执行先进的电机控制功能的通用微控制器，拥有微控制器是一回事，而开发轻松入门却是另一回事。利用软硬件工具可以把这个问题的两个方面都处理好。首先是拥有一套电机控制开发入门工具，包含测试工具(JTAG探针和光隔离器)、 微控制器芯片以及功率级电路板和演示用PMSM电机，这套工具用于产品性能评估和开发用途。模块化设计有助于升级演示应用(例如双电机控制微控制器电路板)，评估多个(或定制)功率级。最后，意法半导体为STM32客户免费提供电机控制软件库。2.0版电机控制软件库利用头文件内的一个简单且低廉的 #define声明列表支持各种配置。

软件库包含交流感应电机和同步电机的磁场定向控制算法，为简化代码的可读性和可维护性，这些算法采用C编程语言，再次证明了现代编译器的效率。该软件库还针对PMSM电机提供一个稳健的无传感器控制算法(基于磁通观测器)，以及一个超高速内部永磁电机 (IPM)专用控制算法。当然，该软件还支持普通转速和位置传感器(增量编码器、霍尔传感器或转速传感器)。通过使用隔离传感器或分流器，STM32支持三种电流检测方法。STM32外设可以实现一个创新的单电流检测方法，利用成本最低的配置(一个简单的独特的电阻器)执行矢量控制。因为能够最大限度降低本征电流失真率，这项技术已取得专利权。

意法半导体目前的主要开发项目是控制电机直到静止状态的无传感器永磁电机控制和内置功率因数校正功能的双电机控制。最近，意法半导体成功演示了单电流检测方法，仅一个STM32微控制器就能执行两个单电流检测矢量控制功能，同时还用一个40 kHz的控制回路管理PFC级(详见图1)。

图1：STM32F103HD可以同时处理双电机控制和数字PF

图 2：STM32F103中容量微控制器结构框图

图 3：STM32：强固的增长基础

从功率开关分立器件，到复杂的系统芯片，意法半导体承诺以其独有的产品组合长期支持电机控制市场。STM32微控制器产品线将继续沿四个新方向部署，如图3所示，其中两个方向适用于电机控制。第一个产品线将面向低成本市场，开发低端的16位电机控制微控制器。另一个产品线以高性能为诉求，面向需要更高处理性能、更大存储容量和高带宽接口的应用。如此宽广的产品组合结合Cortex-M3内核，势必确立STM32架构适用于现在和未来电机驱动的多功能性。