STM32-PMSM-SDK-V4.2-使用指南中文版

STM32PMSMFOCSDKV4.2MotorControltrainingMCUApplication安超AgendaSTM32PMSMFOCSDKV4.2概述工具：IDE，GUI，Demo板FOC控制基础理论API使用示例基于电机库开发项目电机调试经验试验环节2STM32PMSMFOCSDKV4.2概述STM32PMSMFOCSDKV4.2•SDKV4.2软件包包含：PMSMFOC固件库和STMCWorkbench(GUI)，允许用户使用STM32进行单或双PMSM马达的FOC的驱动，其支持STM32F0xx,STM32F1xx,STM32F2xx,STM32F3xx及STM32F4xx4整合：软件库+产品(MCU、功率器件等)+应用5•FOC:高动态性能••高频注入法(HFI)无传感器算法低CPU负荷，大部分时间用于应用软件上•同时控制2个马达高端应用，单/双马达控制•FOC矢量控制对马达进行高效控制••降低马达的噪音：正弦波电流硬件成本优化：1-shunt电流采中/低端应用要求：样，无传感器算法低端应用•Scalarcontrol•成本敏感应用STM32F4xx180MHZ,Cortex-M4STM32F2xx120MHZ,Cortex-M3STM32F3xx72MHZ,Cortex-M4STM32F10372MHZ,Cortex-M3STM32F0xx48MHZ,Cortex-M0STM32F10024MHZ,Cortex-M3STM8S24MHZ,STcoreFOCMCFWlibMCFWlibIndustrialmotordrivesFitness,wellnessandhealthcareHomeappliancesGamesFan3shuntICSFreeRTOSF103,F2xxMaxFOC*~23kHz1shuntFluxWeakeningIPMSMMTPAFeedForwardSensorlessSTO+PLLSensorlessSTO+CORDICEncoderHallDebugTuningGUIsupportUSARTAdd-OnMaxFOC*F100~11kHzF0xx~12kHzDualMotorControlMaxFOC*F103~23kzF2xx~40kzMaxFOCDual*F103~20kHF2xx~36kHHFIMaxFOC*F3~30kzF4~50kzMaxFOCDual*F3~27kzF4~45kz*：在sensorless模式下算法集及MCU支持STMCFOCSDKV4.2STM32F3xxF4xxSTM32F103xHD/XLF2xSTM32F103xLD/MDSTM32F100x,STM32F0xxSTM32FOC性能指标15SDKFOCV4.2新增特性FOCV4.2库新增支持芯片•新增支持芯片STM32F301x6/x8-STM32F302x6/x8•加入STM32F30x的1个ADC模块的三电阻采样算法SDKFOCV4.2新增“MotorProfiler”•测试PMSM马达参数:Rs,Ls,Ke•测试转动参数：J,F•有利于无位置传感控制•快速FOC转动电机•没有硬件以及特别设备要求新增自动测试识别电机参数算法10NewalgorithmElectricalmotorparametersMechanicalmotorparametersCurrentregulatorstuningSensorlesstuningMotorProfiler+OneTouchTuning接入电机后电机转动在一分钟内完成11电机静止•Rs测量•Ls测量•电流校准运行开环运行•Ke参数测试•无传感器启动设定•切换闭环正常运行•动态系数测试•惯性测试•速度校准10sec5sec45secOn-The-Fly功能•可实现电机顺风启动，逆风启动功能工具：GUI，IDE，demo板工具：STMCWorkbench1/2•STMCWBPC软件通过图形界面产生软件库的参数头文件，方便用户对软件库的配置及马达的调试171234工具：STMCWorkbench2/2•实时串口通讯•与PC实时通讯，实现马达的启动/停止，或速度的加减速•调试和监控软件参数•实时画出马达的参考及实际速度曲线18Workspaces&Projects•共13个Workspace对应不同的MCU系列、IDE19马达控制评估板各种评估板供选择18MCSoftwareDevelopmentKit(SDK)(FWlibrary,GUI,collateralmaterials)ControlstagesPowerstagesFlexibleMCPlatformCompleteMCdrivesSTM32Nucleo+X-NUCLEOMCKITEVB•更换EVB可支持不同的MCU22功率板•更换功率板可支持不同的功率23单板demo板•控制及功率部分集成在一块demo板上24Nucleo板22•安全可靠•方便灵活•超高性价比---官网$34NUCLEO-F302X-NUCLEO-IHM07M1*LVBLDCMotorMCKIT整合在一起X-NUCLEO-IHM07M1•供电电压：8V—48VDC•2.8A峰值电流•最大工作频率100KHz•兼容STM32Nucleo/STMorpho接口•支持三电阻/单电阻电流采样•支持Hall/EncoderX-NUCLEO-IHM08M1•供电电压：10V—48VDC•最大30A峰值电流•最大工作频率100KHz•兼容STM32Nucleo/STMorpho接口•支持三电阻/单电阻电流采样•支持Hall/EncoderX-NUCLEO-IHM09M1•兼容ST传统电机控制功率接口（34-Pin）•兼容STM32Nucleo/STMorpho接口•集成调压器•调试点集成新增功能演示--参数识别+OTT演示视频新增功能演示--OTF演示视频1演示视频2STM32PMSMFOC控制理论基础T典型的反电动势波形最佳的电流波形8PMSM永磁同步电机SM-PMSM:表面贴式磁钢（Ld=Lq）.IPM-SM:内嵌式磁钢(LdLq).9数学理论应用于三相马达磁链及转矩的解耦控制定子电流被分解成：直轴电流Ids：用于产生磁场，与转子的磁场叠加交轴电流Iqs：用于控制转矩（其作用等同于直流电机的电枢电流）。优点：•电流相位与转子位置同步，有利于提高马达效率•电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，马达转速可对负载的变化做出精确而快速的反应•可进行位置控制(通过瞬时转矩控制)•由于相电流为正弦波，可降低马达的运行噪音磁场定向控制(FOC):概述9坐标变换理论Clarke变换，三轴ia,ib,ic(120°)到两轴iα,iβ(90°)Park变换，两轴iα,iβ(90°)到动轴iq,id(90°)反Park变换，得到Vα,Vβ9SM-PMSM电压磁链方程9SM-PMSM电压磁链方程-PMSMFOC–框图SpeedControlCurrentControlGatedriversva,b,cMotorSpeedsensors:Sensorless,Hall,EncoderBKIN3shunt/1shunt/ICSDCV–TEMPPowerBridgeIPM/DiscreteCurrentsensors:+ωr*,tvqsvds+--PIDPIDiqdiq*id*vabcθrelvαβREVERSEPARK+circlelimitationiabcPARKθreliαβCLARKEMTPA&FLUXWEAKENINGCONTROLLERROTORSPEED/POSITIONFEEDBACKTe*PID+SpaceVectorPWMPHASECURRENTSFEEDBACKRAMPGENERATORwr*29/10/2014STM32PMSMFOCSDKv3.29FOC速度控制9FOC转矩控制9构成FOC控制要素定子电流Ia,Ib,Ic转子位置及速度θ,ωSVPWMPID调节1-shunt/3-shunt/ICS•相电流采样支持：•1-SHUNT：采样电阻放在DCBUS上•ST专利的算法•仅需要1个电阻/运放：成本较低•电流采样算法可能会带来力矩纹波•3-SHUNT：采样电阻放在3个下桥臂上•电流采样精度高•不会有电流纹波产生•ICS：2个隔离的电流传感器•放在A/B相绕组上•适用于相电流较大的场合：无功耗•成本较高•转子位置检测与相电流采样方式可任意组合：•2个马达×3种转子位置检测方式×3种相电流的采样方式13定子电流采样相电流采样拓扑结构选择•相电流采样拓扑结构选择：在workbench中的设定59基于shunt的相电流采样•基于shunt的采样方式要求：运放电路–电流信号的放大及偏置电压60基于shunt的相电流采样•必须合理配置运放电路的增益及偏置电压•Workbench中专门设计了一个放大电路的设计工具GateDriver3-shunt•3-shunt：必须在下桥臂打开时才能采样到相电流ADCOpAmp+Offset+-OpAmp+Offset+-OpAmp+Offset+-3-shunt参数•Trise：ADC通道对应的下桥臂打开时刻到采样信号稳态之间的时间•Tnoise：其它桥臂开关时在ADC通道引起的纹波时间631-shunt•下桥臂的不同状态下，流过shunt的电流如右表ADCOpAmp+Offset+-ALOpenBLOpenCLOpeniShunt0OpenOpenCloseCloseCloseOpenCloseCloseOpenOpenOpenCloseCloseCloseCloseCloseCloseOpenOpenOpenCloseiA-iCiB-iAiC-iB0iAiShunt1-shunt参数•Trise：ADC通道对应的下桥臂打开时刻到采样信号稳态之间的时间•Tnoise：无意义1-shunt•在扇区边界区域，两相PWM波脉宽接近，无法得到两相电流•ST专利技术可以解决这一问题•速度及位置检测支持：•Encoder•成本较高，一般适用于伺服控制•Hall•成本较低，一般适用于马达静止或低速下也要求额定扭矩的应用•Sensorless•高频注入算法–HFI•适用于凸极马达（IPMSM，LdLq）•能实现马达转子位置的精确检测，即使在静止或低速下•仅STM32F3和STM32F4系列支持•StateObserver+PLL•基于马达的BEMF，使用相电流及相电压估计马达转子的位置•适用于马达的转速范围：额定转速的5%-100%•StateObserver+CORDIC12速度位置检测9929无传感观测器29Luenberger观测器1/229Luenberger观测器2/229状态信号捕捉29转子位置/角速度计算1/229转子位置/角速度计算2/2锁相环PLL49STM32高频注入HFI•HFI：针对I-PMSM马达的凸极特性，能够检测马达在静止或低速状态下的转子位置•假设转子位于某个角度上，在定子中注入一个200HZ~1KHZ的高频正弦信号，该信号位于假定的d’轴上由于I-PMSM马达的凸极效应，LqLd,给定的轴上生成磁势Fh与实际磁链λh存在相位差，q’轴上会出现λh的分量---磁链偏离现象STM32HFI•无论d’轴的方向如何，λh在q’轴上的分量都存在。但是有2种情况例外：即d’轴与d轴或q轴重叠时，此时λh在q’轴上的分量为零•如下图，γ（注入信号相位角，即：d’轴与d轴的夹角）与其它物理量的关系：50HFIdebugcurrentiqh的频率为马达相电流的2倍HFI高频电流61HFIdebugcurrentiqh的频率为马达相电流的2倍STM32HFI–初始位置52STM32HFI–初始位置磁链极性检测•当d轴找到后，必须辨别转子磁链的极性，即：南/北极•方法：由于气隙磁场是定子和转子磁链的叠加，当定子的脉动磁链分别在南极和北极时，会导致马达导磁率µ不同