电机驱动 毕业设计.docx

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电机驱动毕业设计

基于STM32的电机驱动系统的设计

专业：

机电工程系

班级：

姓名：

徐斐斐

注意：

目录中的页码是随着你写的内容而不同的，总页数在60也左右，给我留出删除的空间，我修改后，最终页数应大于50页。

摘要

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。

因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。

前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的PowerPC，MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。

在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32F103无疑是其中最成功的产品之一。

意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu等搜索引擎上查看以STM32F103以及CortexM3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32F103的直接搜索量比CortexM3高出很多倍。

“很多人可能不知道CortexM3，但是却听说过STM32。

现在STM32已经成了CortexM3最好的一张名片。

”

本文分别介绍了永磁同步电机矢量控制系统的硬件和软件设计。

详细的介绍了以STM32为控制核心的控制电路，主回路由脉宽调制逆变器、永磁同步电动机、电流检测电路、速度检测电路组成的永磁同步电机调速控制系统的硬件电路。

细致地蟾酥了稳重的软件设计思路，包括系统的主程序、中断控制程序以及各项子程序的软件设计。

通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。

关键字：

永磁同步电动机，矢量控制，ARM，正弦脉冲宽度调制

Abstract

Inrecentyears,withmicroelectronicstechnology,powerelectronictechnology,moderncontroltechnology,materialtechnologyrapiddevelopmentandmotormanufacturingprocessofgraduallyraisethelevel,andexchangethepermanentmagnetsynchronousmotorwithitssmallsize,simplestructureandsooncharacteristicsofindustryandagriculture,indailylifeandmanyhigh-techquicklyinawiderangeofapplications.Therefore,thedesignofhighperformance,highprecisionofpermanentmagnetsynchronousmotorbecomemodernelectricservodrivesystemofadevelopmenttrend.

ThroughoutMCUmarket,atpresentthemostmainstreamarchitecturemeanscanbedividedintotwoclasses,independentintellectualpropertyrightsstructureandbasedontheARMarchitectureMCU.TheformermainlyincludeIntel'sX86architecture,freescale'sPowerPC,theMicroChipPICseries,AtmelAVRseriesof,thelatterbynumerousbasedonthedevelopmentoftheARMarchitectureofmanufacturers,includingST,NXP,NECandacquiredLuminaryofTI,etc.BasedontheARMarchitecturedevelopmentinmanyoftheproductinthecenter,STM32F103undoubtedlyisoneofthemostsuccessfuloneoftheproducts.StmicroelectronicsMCUmarketingmanagerZhangJunHuicongressintroducedinmidfield,saidintheGoogleandBaidusearchenginessuchaschecktoSTM32F103andCortexM3forkeywordssearchtimesanditwaseasytofind,STM32F103basedonthedirectsearchvolumethanCortexM3manytimeshigher."Alotofpeopleprobablydon'tknowCortexM3,butheardSTM32.NowSTM32hasbecomeoneofthebestCortexM3card."

Thispaperintroducesthepermanentmagnetsynchronousmotorvectorcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign.DetailedintroducestheSTM32ascontrolcorecontrolcircuit,themainloopbypulsewidthmodulationinverter,permanentmagnetsynchronousmotor,electriccurrentdetectioncircuit,speeddetectioncircuitcomposedofpermanentmagnetsynchronousmotorspeedcontrolsystemhardwarecircuit.Detailedthesedatesoftwaredesignoftoadsideas,includingthesystemofthemainprogram,interruptcontrolproceduresandtheprocedureofthesoftwaredesign.Throughtheanalysisofsimulationresults,confirmationUSESthecorrectnessandfeasibilityofthecontrolalgorithm.

Keyword:

permanentmagnetsynchronousmotor;vectorcontrol;ARM;sinepulsewidthmodulation

引言

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、现代控制技术、材料技术的迅速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，交流永磁同步电机以其体积小、结构简单等特点在工农业、日常生活以及许多高科技中迅速得到了广泛的应用。

因此，研究设计高精度、高性能的永磁同步电机成为现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

伺服驱动器按照功能特征可分为功率板和控制板两个独立的模块，本文在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。

控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性能，为此，论文采用意法半导体推出的STM32作为控制核心芯片。

它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72MHz。

强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。

功率驱动单元应用了IPM（智能功率模块），与以往的IGBT相比较，IPMFSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。

而在MCU市场，这项包含技术难点最多也拥有最广泛市场潜力的技术产物从一开始就注定了将会面临比其他技术更强有力的争夺与冲击。

纵观MCU市场，目前最主流的构架方式可以分为两类，自主知识产权构架和基于ARM构架的MCU。

前者主要包括英特尔的X86构架,飞思卡尔的PowerPC，MicroChip的PIC系列，Atmel的AVR系列等，后者则由众多开发基于ARM构架的厂商组成，包括ST,NXP,NEC以及收购了Luminary的TI等。

在众多基于ARM构架开发的产品当中，STM32无疑是其中最成功的产品之一。

意法半导体MCU市场部经理张军辉在大会中场介绍说，在Google,Baidu等搜索引擎上查看以STM32以及CortexM3为关键词的搜索次数，你很容易就能发现，基于STM32的直接搜索量比CortexM3高出很多倍。

“很多人可能不知道CortexM3，但是却听说过STM32。

现在STM32已经成了CortexM3最好的一张名片。

”

但是就是这张CortexM3最好的名片在新一轮市场争夺战中也面临着拓展的问题。

怎样更好的符合消费者使用习惯？

哪些领域会成为下一个新的市场热点？

除了强调功耗的EnergyLite™,强调性能的PerformanceLine，强调应用的AccessLine,STM32未来还将有哪些产品链路？

依据永磁同步电动机在dq旋转坐标系下的数学模型，在MATLAB/Simulink仿真工具下建立了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型。

仿真模型是基于三角波比较跟踪的电流滞环控制方式，产生PWM信号控制逆变器。

通过对仿真结果的分析，验证所采用的控制算法的可行性和正确性。

1绪论

1.1课题的研究背景

电机是一种能够进行机电能量装换的机械设备，它有效地将电能转换成机械能，使得电机可以实现各种运作。

因而被广泛地应用于工农业生产、国防工业及社会生活等各个领域。

按照电机类型的不同划分电机控制类型，电机调速控制可分为直流调速和交流调速两类。

直流调速即是对直流电动机的调速控制。

众所周知，因为直流电动机中产生转矩的两个要素励磁磁通和电枢电流相互间没有耦合的关系，所以直流电机可通过控制相应电流从而就可非常容易的实现电机转速的控制和调节。

因此直流电动机调速时易获得良好的静态和动态调速特性。

在变速转动领域中，直流电动机调速长期以来都是占据着主导地位。

然而由于直流电机本身结构机械换向器和电刷存在重大的缺陷，致使直流电机调速系统的应用推广受到了限制。

交流调速则是对交流电动机的速度控制。

由于交流电机结构简单、坚固耐用、运行可靠，特别是它克服了直流电机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制，因此在工农业生产中得到了极为广泛地推广。

但是，由于长期以来受到实现技术的制约，交流电机作为调速电机的应用受到了很大的限制。

不过，科学技术的迅猛发展为交流调速的发展创造了有利的技术条件和物质基础。

交流电动机可通过采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念来实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，这就实现了将交流电机的控制过程等效为直流电机的控制过程，使得交流调速系统的动态性能得到了显著地改善和提高。

转子采用永磁材料的永磁同步电机，控制系统相对于异步电机而言比较简单，容易实现高性能的控制。

稀土永磁电机因而具有结构简单；运行可靠；效率高等显著有点，因而广泛应用于工农业生产、航天航空和日常生活等各个领域。

近年来在永磁材料的生产方面出现了突破性的进展，高性能永磁同步电动机的研制也随之有了长足的发展。

永磁电机的发展史与永磁材料的发展密切相关的。

永磁电机的研究和开发大致分成三个阶段[4]0

（1）60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁材料价格昂贵，研究开发重

点是航空、航天使用电机和要求高性能的高科技领域。

（2）80年代，特别是1983年出现价格相对较低的钦铁硼永磁材料后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上。

稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子技术和微机控制技术的迅猛发展，不仅使得许多传统的励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。

（3）进入90年代以来，随着永磁材料性能的不断提高，特别是钦铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，价格的逐步降低以及电力电子技术的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，使得永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得广泛的应用外，也使稀土永磁电机的研究开发进入新阶段。

一方面，稀土永磁电机的开发向大功率化、高功能化和微型化方向发展;另一方面，永磁电机的结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了一整套的研究方法。

随着永磁同步电机在各个领域的广泛应用，对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，既希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能，又希望控制系统的成本尽可能得低。

鉴于此，国内外许多的专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略，部分已获得了很好的实际效果

1.2视频处理器的发展前景

现代交流调速系统由交流电机、电力电子功率变换器、控制器和检测器等四大部分组成。

其中，电力电子功率变换器与控制器及检测器合起来称之为变频调速装置。

按照交流电机的分类，交流调速系统可划分为以下两类:

异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。

同步电动机转速公式。

=60f,/np（其中f,为定子供电频率，n，为电动机极对数）可知，同步电动机是靠变频调速的。

在调速系统中采用同步电动机有以下优点:

（1）同步电动机的转速与电源的基波频率保持着严格的同步关系，只要精确地控制变频电源的频率就能准确地控制电机速度;

（2）同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有较强的承受能力，能做出较J决反应;

（3）同步电机的调速范围比异步电机宽;

（4）同步电动机能够利用电动机的反电动势实现负载换流。

因为同步电动机拥有出众的优点，所以同步电动机调速系统越来越受世人的关注。

根据频率控制方式的不同，又可将同步电机调速控制系统分为两类，即他控式变频调速和自控式变频调速。

他控式变频调速:

用独立的变频装置做永磁同步电动机的变频电源，电动机的转速严格跟随电源频率的变化而变化。

他控式变频调速常用于开环控制系统。

自控式变频调速:

采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控式同步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，从而使得同步电动机可以工作在自同步状态[[7l。

自控式同步电动机变频调速与他控式变频调速相比最大的不同就是能从根本上消除同步电动机转子振荡和失步的隐患。

这得益于控制方式本身，因为转子位置检测器控制为同步电动机定子供电的变频装置的输出频率，即定子旋转磁场的转速和转子旋转的转速相

等，始终保持同步，因此不会因负载冲击等原因造成失步现象[[810

自控式变频同步电动机调速系统可分为两类:

一类是大、中容量的调速系统，一般采用普通的电励磁结构，通过电刷和滑环引入励磁电流。

另一类是小型调速系统，多采用结构更为简单的磁阻式或永磁式同步电动机[[910

永磁同步电动机控制方法的研究开始于八十年代，由于其与直流电动机相比具有多变量、非线性和强祸合的特性，常用的调速方法不再适用于永磁同步电动机调速控制系统，需采用新的控制算法。

国内外的专家学者开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。

逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。

阻尼绕组有以下特点:

第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升;第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降;第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。

在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点E"].1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、动态特性。

A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性【川。

由于电子电力科学技术的限制，同步电机的调速技术也受到了相应地制约。

然而，随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法〔12-13]。

随着电力电子技术的飞速发展，各种容量和形式的变频电源、逆变装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，因而对永磁同步电机控制系统的性能也有了高要求，即希望控制系统能有较高的控制精度和较好的稳态性能。

鉴于此，许多国内外专家学者提出了各种永磁同步电机的控制策略如矢量控制、转矩直接控制等。

这些新的控制方法进一步地改进了交流电机的控制性能，使得现代高性能的交流永磁调速系统的动态性能静态性能和动态性能得到了显著的改善，完全能够达到甚至是超过直流电机调速系统静态性能和动态性能的水平

1.3论文主要工作概述

本课题是基于ARMCortex-M3控制芯片对永磁同步电机调速控制系统进行

设计。

在掌握调速控制系统工作原理和组成、永磁同步电动机动态数学模型等

基础上，设计一基于ARMCortex-M3的永磁同步电动机调速控制系统。

ARM

Cortex-M3芯片可实现电机的矢量控制。

为了验证此系统的设计方案的正确性和

可行性，利用MATLAB仿真软件进行建模和仿真。

论文的研究内容包括以下几

个方面:

（1）完成永磁同步电机调速控制系统总体方案的设计;

（2）完成永磁同步电机调速控制系统的硬件电路的设计;

（3）给出永磁同步电机调速控制系统的软件设计流程;

（4）利用MATLAB/Simulink仿真工具，实现永磁同步电动机矢量控制系统

的仿真。

1.4论文的组织结构

论文的内容组织与章节安排如下:

第一章绪论:

介绍了本文课题研究的背景，对同步电机调速系统的概况和永磁同步电机调速系统的发展状况分别进行简述，同时叙述了课题研究的意义和内容。

第二章永磁同步电机的矢量控制:

本章节以正弦交流驱动的永磁同步电动机为研究对象，首先提出了矢量控制的基本原理。

而后本章节又介绍了矢量坐武汉理工大学硕士学位论文标变换的基本规律，根据坐标变换提出dq坐标系下永磁同步电动机的数学模型，这里还包括电压回路方程、磁链方程以及转矩方程等。

这些电磁间独特的关联，特别是定子电流和转子电流的相互作用而产生的磁通和转矩间的关系，为实现对永磁同步电动机系统的控制即实现在定向坐标系上各量的控制，提供了理论基础。

文章最后画出了基于id=O矢量控制方式的永磁同步电动机调速系统的原理框图。

第三章矢量控制系统电流环和速度环的设计:

本章对永磁同步电动机调速控制系统的电流环和速度环进行理论分析，为电流环、速度环建模提供理论依据。

之后，计算电流环和速度环的传递函数值。

第四章基于ARMCortex矢量控制系统的硬件设计:

详细的阐述永磁同步电动机调速控制系统的硬件设计，分别介绍控制系统各个模块电路的工作原理和实现的功能。

画出永磁同步电动机调速控制系统电路图，包括控制电路、电流检测电路、逆变电路等，详细说明各电路的组成情况和电路中使用到的元器件选择。

第五章永磁同步电机矢量控制系统的软件设计:

基于硬件电路设计的基础上，详细叙述调速控制系统中各个模块的软件设计思路，并且在文中给出了软件设计流程图。

第六章永磁同步电机矢量控制系统的仿真:

本章在MATLAB仿真工具中对系统的坐标变换模块、电流环控制模块和逆变模块进行模块化设计，而后将各个模块组合形成永磁同步电动机调速控制系统的整体，实现对整个系统的建模和仿真。

最后分析得出的仿真结果。

第七章总结和展望:

本章节对全文进行概括和总结。

总结了永磁同步电动机调速控制系统的研究成果，并展望永磁同步电动机调速控制系统的研究前景。

2基于STM32的电机驱动系统总体设计

2.1设计需求

在分析交流永磁同步电机控制性能的基础上分别对控制单元和功率驱动单元进行了具体的设计。

控制单元作为伺服系统的核心，要求有较高的性能，为此，采用意法半导体推出的STM32F103作为控制核心芯片。

它是基于ARM先进架构的Cortex-M3为内核的32位微处理器，主频可高达72MHz。

强大的内核及其丰富的外设使其在马达控制应用领域得到广泛的使用。

功率驱动单元应用了IPM（智能功率模块），与以往的IGBT相比较，IPMFSAM20SH60A内部集成欠电压、过电流和温度检测等保护电路，简化了伺服系统单元的设计，实现了伺服系统的模块化和微型化。

2.2方案选择

3基于ARMCortex矢量控制系统的硬件设计

3.1基于ARMCortex矢量控制系统的设计方案

早期，调速控制系统的控制器多由模拟电子电路组成。

但是，随着微机控制技术的发展，特别是以单片机、DSP和ARM为控制核心的微机控制技术的发展，使得调速控制系统走向数字控制。

数字化使得控制器许多难以实现的复杂控制得以解决，如矢量控制中的坐标变换计算和解祸控制等等。

目前，市面上有很多专用电机控制的芯片可供选择。

其中，美国TI公司设计推出的以TMS320C2000系列为内核的控制器将电机控制中常用的硬件电路固化在芯片中，且提供了众多的外设接口，可以说是具有强大的接口能力和嵌入功能。

特别适用于有大批量数据处理的控制场合，如电机控制、伺服系统和工业自动化控制等等[22]。

意法半导体公司推出的STM32系列微控制器是为满足价格敏感的家用电器和工业设备对微控制器的高性能和低能耗的要求而专门开发。

STM32微控制器以性能强大的Cortex-M3为芯片内核。

Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少，中断延迟小，调试容易等特点。

对于系统和软件开发，Cortex-M3处理器具有以下优势:

小的处理器内核、系统和存储器，可降低器件成本;完整的电源管理;快速的中断处理，满足高速、临界的控制应用;增强的系统调试功能，可加快开发进程等等[[23-24]oSTM32的内核和专用电机控制外设都有充足的处理能力来优化驱动器的性能，最小化系统总体成本。

下面就针对上述两厂家的电机控制专用芯片做个比较。

比较内容从内核性能和与运动控制相关的片内集成外设性能两个方面进行。

┌──────┬─────────┬──────┐

│性能参数│STM32│TMS320LF240│

├──────┼─────────┼──────┤

│内核│32位ARMcortex-M3│16位C2000│

├──────┼─────────┼──────┤

│工作电压范围│2.0-3.6V│3.0-3.6V│

├──────┼─────────┼──────┤

│最高工作频率│72MHz│40MHz│

├──────┼─────────┼──────┤

│最高运算