前言

電機驅動是自動化工業市場的一個主要特點，在電機控制領域的深耕多年的意法半導體 （ST）擁有各種電機專用軟硬件解決方案，為滿足各種應用需求，ST MC（電機控制）生態系統含有整體解決方案，例如，評估板、固件 （FW）庫和相關資料。

現在ST MC生態系統新增一個叫做STM32 PMSM FOC SDK v4.0的永磁同步電機（PMSM）控制固件庫。這些工具是意法半導體在數控和功率系統解決方案領域多年積累的深厚知識和系統經驗的結晶，有助于縮短客戶產品研發周期，加快對意法半導體產品的評估。事實上，意法半導體支持自動化和工業領域的各種電機控制，這歸功于創新的產品組合，包括 功率晶體管、智能功率模塊 、電機驅動器芯片和最新的微控制器。

PMSM FOC SDK功能和專用算法提升了意法半導體工業電機驅動產品評估的實用價值。

為實現這個目標，硬件和固件解決方案必須協同工作。此外，為取得最高的電機控制性能，大家非常熟悉的三相無刷電機矢量控制技術（FOC）新增多種不同的專用算法。

圖1：自動化和工業電機控制

意法半導體早在多年前就開始矢量控制技術的研發，2009年發布了首款支持STM32微控制器及STM32電機控制開發板的3相電機控制固件庫。此后，該解決方案被不斷完善，新增多項功能：

? 無傳感器式永磁電機控制（兩個互補算法、反電動勢狀態估計器和高頻注入）

? 固件庫完全可配置，支持STM32F全系產品（F0、F1、F2、F3、F4），支持意法半導體的功率級產品（如SLLIMM智能功率模塊）或分立解決方案（功率MOSFET、IGBT、柵驅動器）

? 通過PC機軟件（ST MC Workbench）配置固件庫，幫助用戶設置系統，在PC機與固件之間實時通信

? 通過一個微控制器同時驅動兩個電機的“雙驅”電機控制

? 其它功能，例如：磁通量弱化、內磁式電機MTPA （最大轉矩電流比）和正饋電流調節

固件與硬件工具（控制級+功率級或整體解決方案）配合使用，有助于用戶快速開始產品原型設計

圖2： 永磁同步電機控制生態系統

STM32 FOC SDK V4.0 新功能

STM32 FOC SDK V4.0是該固件庫的2014年最新版，其架構改進之處主要是固件的易用性，強化易用性有助于用戶加快產品設計，縮短研發周期，這兩個因素是電子企業取得成功的關鍵。為提高軟件開發工具的易用性，從源代碼到PC機圖形用戶界面軟件，意法半導體電機控制生態系統新增很多功能，并配有一套開發資料，其中包括技術文檔、常見問題解答、演示文稿、軟件示例、用例、教程和視頻。 所有資料都放在標準軟件和固件包內，用戶可以從意法半導體官網下載軟件包，若需要完整的C語言源代碼，用戶須向所在地意法半導體代表處申請。

STM32 FOC SDK V4.0生態系統包括快速高效設計所需的兩大工具：固件庫和PC圖形用戶界面軟件。

從高性價比的48Mhz Cortex-M0 STM32F030x，到集成各種模擬IP模塊的STM32F30x，再到最先進的支持浮點指令的180Mhz Cortex-M4 STM32F4，久負盛譽的STM32矢量控制固件庫支持STM32 F全系產品。從醫療用小型電機，到工廠自動化或電力牽引用大型伺服電機，STM32覆蓋各種電機控制應用領域。不同于其它品牌的電機控制解決方案，STM32 FOC固件庫采用了面向對象的方法，這也是意法半導體固件庫支持不同系列微控制器的原因。

除保留上一版軟件抽象層結構嚴謹的優點外，V4.0版還簡化了Workspaces，減少了每次配置的項目數量。此外，固件庫支持的IDE開發環境過去只有IAR Embedded Workbench，現在還支持KEIL Microvision集成開發環境。

電機控制應用編程界面（API）是上一版的旗艦技術，新版中的API增加了新的功能。此外，新版軟件包還增加一套軟件示例。用戶可以利用電機控制API導出的函數實現典型用例，將其用于最終應用設計中，例如：

? 根據模擬輸入電壓設置轉速參考值；

? 輸出PWM信號與轉速測量值保持比例關系；

? 實時修改控制器帶寬等參數；

? 實時修改控制環路的轉速傳感器和位置傳感器參數

實現這個功能所需的全部代碼都在軟件示例內，可以用作創建更復雜項目的基礎，也可以視為理解API本身背后邏輯的參考指南。電機控制庫兼作一個黑匣子，說明如何向電機發布命令，例如，啟動、停止或減速，還可用于接收電機反饋信號，例如，轉速、轉矩或功率的測量值。固件庫還能讓客戶專注應用頂層研發，利用特定的戰略知識設計差異化解決方案。

圖 3： MC SDK 4.0用戶界面

在4.0版中，固件用戶界面有兩個通信通道。如果控制板裝有LCD液晶屏，則可以實現一個輕量（小代碼量）的LCD圖形用戶界面，簡版LCD能夠讓用戶更靈活地定制圖形用戶界面，增加更多的用戶固件互動功能。如果控制板沒有LCD屏幕，則可以通過USART在固件和PC機之間建立實時通信通道。V4.0還可以建立快速的單向通信通道，讓固件能夠以最大速率向PC機連續不斷地發送數據，不包含用于監視快速變化的變量的控制字節。

Workbench的其它新功能：

? 無傳感器啟動設置窗口新增強加電流和加速圖形用戶界面，為用戶帶來參數描述視覺化的好處

? 與工具捆綁發行的Workbench項目配置更加豐富，覆蓋各種參考設計板

? Workbench與技術文檔之間的鏈接被強化，在程序菜單內輸入一個新項目后，用戶被直接轉向技術文檔：快速入門、用戶手冊、開發人員手冊和API參考手冊

? 此外，Workbench從上一版開始完全支持數字PFC插接板，現在還能夠設置功率級AC輸入范圍，處理已實現的安全功能，例如，過流和過壓，讓用戶在驅動管理級設置適合的閾值

利用高頻注入法實現零速控制

新版固件的改進之處不局限于使用體驗和易用性。4.0版包含一個新的無傳感器控制算法以及上一版的“最先進”的BEMF狀態估計器，新的無傳感器控制算法叫做“高頻注入（HFI）”，適用于內磁式永磁同步電機（PMSM）。在這種電機內，磁體不是裝在轉子表面，而是埋在轉子的鐵芯內。內磁式永磁同步電機 出現電感異向性，從繞組與象限和直軸的關系中不難看出這一點（Lq不同于 Ld）。

圖 4： 電機磁結構

高頻注入方法利用磁體結構的異向性檢測低速和靜止轉子的角位置，這種無傳感器檢測技術擴大了反電動勢 （BEMF）估計器或者反向電磁力檢測技術的轉速檢測范圍。因為反電動勢幅度與電機轉速是比例關系，所以，當電機靜止或轉速極低時，反電動勢幅度因太小而不易被發現。基于一種完全不同的物理學原理的高頻注入法可以控制低轉速運行的電機。脈動場被注入到電機內， 利用電機磁結構內的電流計算電角。為了避免產生額外的轉矩，注入頻率的設定值必須高于基本頻率。像是用X射線掃描電機，檢測轉子相對磁體結構異向性的電位置。這種方法適用于靜止到低轉速階段，與反電動勢估計器協同工作，根據電機轉速實時自動切換控制方法。這種新算法將屬于意法半導體為客戶提供的多項電機控制SDK創新專利技術，具有多項優點：

? 零速全轉矩

? 低速運轉

? 無傳感器式啟動，無反向旋轉

? 最快的無傳感器式啟動

? 無傳感器正（順時針）反（逆時針）向轉速檢測

此外，該解決方案可提升受益于啟動效率的應用系統的價值，包括空氣壓縮機、低速運行或反向旋轉（洗衣機或工業自動化、電動自行車或牽引電機）以及更多新興應用。

意法半導體硬件工具

意法半導體為其電機控制固件庫提供配套評估板，讓用戶能夠在實際電機控制系統內評測意法半導體產品，例如，智能功率模塊（SLLIMM）、IGBT、柵驅動器、電機控制芯片和微控制器。針對三相電機控制應用，我們主要介紹以下內容：

由控制板和功率板構成的靈活的模塊化系統，其中，控制板裝有任何一款 STM32 F0、F1、F2、F3或F4微控制器，以及豐富的功能外設，例如，MEMS、溫度傳感器、外部存儲器、LCD液晶屏、收發器、攝像頭等；在功率板上有基于SLLIMM （小型模塑低損耗智能功率模塊）的變頻器或者功率MOSFET或IGBT和柵驅動器的分立器件。控制板和功率板可以通過意法半導體的標準“電機控制連接器”相連，確保控制級和功率級全面兼容。

圖5： 靈活的系統控制板和功率板

1. 單板電機驅動解決方案：在一塊電路板上集成電機驅動所需全部功能，適合某些特定應用：空調、吊扇、洗碗機等；以STEVAL-IHM034V2為例，該方案能夠驅動最高1.4kW的永磁同步電機PMSM，再連接一塊電路板，能夠同時驅動兩臺電機（FOC）。

圖 6： 完整的電機驅動器

結論

我們簡要介紹了最新版MC FOC SDK的新功能特性，意法半導體的自動化和工業控制解決方案不斷增加新的功能、技術和產品，擴大意法半導體電機控制生態系統，以順應在工具易用性和快速評估的趨勢，同時關注能效、集成度和成本優化等設計問題。