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STM32PMSMFOCSDKV4.0MotorControltrainingDay1蒋建国MCUApplicationAgenda•STM32PMSMFOCSDKV4.0概述•工具：IDE，GUI，demo板•SDKV4.0：使用体验•HFI(HighFrequencyInjection):理论概述•HFI：软件参数调整及马达调试2STM32PMSMFOCSDKV4.0概述STM32PMSMFOCSDKV4.0•SDKV4.0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个马达高端应用高端应用高端应用高端应用，，，，单单单单/双马达控制双马达控制双马达控制双马达控制要求：•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电流采样，无传感器算法中中中中/低端应用低端应用低端应用低端应用•Scalarcontrol•成本敏感应用低低低低端应用端应用端应用端应用STM32F4xx180MHZ,Cortex-M4STM32F2xx120MHZ,Cortex-M3STM32F3xx72MHZ,Cortex-M4STM32F10372MHZ,Cortex-M3STM32F0xx48MHZ,Cortex-M0STM32F10024MHZ,Cortex-M3STM8S24MHZ,STcoreFOCMCFWlibMCFWlibIndustrialmotordrivesFitness,wellnessandhealthcareHomeappliancesGamesFanPMSM马达•PermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM)•定子的结构与AC感应马达类似•转子上安装永磁体•安装在转子表面：SM-PMSM•内嵌在转子中：I-PMSM•定子中的激励信号的相位/频率必须与转子的位置与速度同步•转动的转子会在定子绕组中感应出正弦的反电动势电压•以正弦的电流驱动马达会得到最好的性能（无力矩纹波）6PMSMFOC简介77tTemaximizedif…ΦrΦs90el90el29/10/2014STM32PMSMFOCSDKv3.2•FieldOrientedControl:定子电流的幅值和相位相对于转子的磁链独立控制，因此：•必须读取定子的电流（1-shunt/3-shunt/ICS）•必须读取转子的位置及速度（Encoder/Hall/Sensorless算法）•电流的实时控制（PI/D）：•不容易控制：高频正弦参考值、幅值的调制及与转子磁链的耦合•通过参考坐标系的转换来简化耦合问题PMSMFOC简介:坐标系转换8•clarke变换:ia,ib,ic(120º)转换为iα,iβ(90º);(假设ia+ib+ic=0)，交流-交流：•Park变换：iα,iβ转换为id,iq(90º)，交流-直流：•反Park变换：Vq,Vd转换为Vα,Vβ:由于Vq,Vd为直流信号，因此PID算法可直接运用于此类信号的控制32bsasasiiiii+-==βαrradsrrqsiiiiiiθθθθββαcossinsincos+=-=rdsrqsrdsrqsvvvvvvθθθθβαcossinsincos+-=+=FOC的优点•由于电流的相位始终与转子位置同步，大大提高了马达的效率，即使在动态瞬间也能如此•由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，其速度控制能快速地响应马达的负载变化•由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，可精确地控制马达的转子位置•由于相电流为正弦波，可降低马达的运行噪音9PMSMFOC–框图10SpeedControlCurrentControlGatedriversMotorva,b,cSpeedsensors:Sensorless,Hall,EncoderBKINDCV–TEMPCurrentsensors:3shunt/1shunt/ICSPowerBridgeIPM/Discrete+ωr*,tvdsvqs+--PIDPIDiqdiq*id*REVERSEPARK+circlelimitationvabcθrelvαβiabcPARKθreliαβCLARKEMTPA&FLUXWEAKENINGCONTROLLERROTORSPEED/POSITIONFEEDBACKPIDTe*+-SpaceVectorPWMPHASECURRENTSFEEDBACKRAMPGENERATORwr*29/10/2014STM32PMSMFOCSDKv3.2DualPMSMFOC–框图11GatedriversPowerbridge1Motor1va,b,cSpeedsensors:Sensorless,Hall,EncoderBKINCurrentsensors:3shunt/1shunt/ICSPowerbridge2Motor2Speedsensors:Sensorless,Hall,EncoderCurrentsensors:3shunt/1shunt/ICSva,b,cBKINωr*1ωr*2Gatedrivers29/10/2014STM32PMSMFOCSDKv3.2FOCSDKV4.0的配置1/2•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+CORDIC12FOCSDKV4.0的配置2/2•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13STM32F3xxF4xx算法集及MCU支持14STM32F103xHD/XLF2xSTM32F103xLD/MDSTM32F100x,STM32F0xxEncoderHallICS1shunt3shuntFreeRTOSF103,F2xxUSARTAdd-OnIPMSMMTPAFluxWeakeningMaxFOC*~23kHzSensorlessSTO+PLLFeedForwardDualMotorControlSensorlessSTO+CORDICMaxFOC*F100~11kHzF0xx~12kHzMaxFOCDual*F103~20kHF2xx~36kHGUIsupportDebugTuningMaxFOC*F103~23kzF2xx~40kzHFIMaxFOCDual*F3~27kzF4~45kzMaxFOC*F3~30kzF4~50kz*：在sensorless模式下STMCFOCSDKV4.0STM32FOC性能指标15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、IDE及时基19马达控制评估板STM32FxxMCKIT•特点：•PMSMFOC控制•Sensor/Sensorless•Hall•Encoder•Sensorless•电流采样•1-SHUNT•3-SHUNT•更换EVB可支持不同的MCU21控控控控制信号连接器制信号连接器制信号连接器制信号连接器EVB•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24STM32F0xx风扇demo板1/225•拓扑结构PowerbridgeFanSensorlessCurrentsensors:1shunt/3-shuntva,b,cBKINωr*GatedriversUserInterface:•SerialcommunicationwithPC•SWDdebug/program•SPIinterfaceforDAC•Speedreferenceinput/motorspeedoutput•LED:indicatesthefaultstatusSTM32F0xxSTM32F0xx风扇demo板2/226•同时支持1-shunt/3-shunt•相电流波形•速度：600rpm•功率：38W更多关于STM32PMSMFOCSDK的信息•SDKV4.0软件包：请向STMCU市场工程师申请•帮助文档：在SDKV4.0的安装目录中•UM1052：STM32FPMSMsingle/dualFOCSDKv4.0•UM1053：AdvanceddevelopersguideforSTM32FMCUsPMSMsingle/dualFOClibrary•UM1080：QuickstartguideforSTM32FPMSMsingle/dualFOCSDKV4.0•ST马达控制论坛：新特性新特性•新的架构•Workspacesandprojects(IAREWARM/KEIL)•若干个软件库使用例程•MCApplications(Statemachine,Tasks)•Light/FullLCD界面•快速单向/双向串口通讯•Workbench新特性(无传感器起动,例子,帮助文档关联,PFC)•高频注入无传感器算法29新的架构•SDK软件库分为若干个软件层，分别为：MCU标准外设软件库、马达控制库及马达控制应用层•还包含用户界面层及FreeRTOS模块30Workspacesandprojects•每一个马达控制软件的workspace包含有2个project:•MCLibraryproject•Userproject(包含MCApplication层)：即在V4.0中，Userproject层和MCApplication层被放到了同一层•每个project都需要分别编译，并最终连接生成可执行代码31STMCWB–产生参数头文件•选择输出路径•\SystemDriveParams32•所有参数配置好后，按该键产生.h文件Workspacesandprojects–IAREWARM•Workspace中的两个project需要用批处理命令分别编译•MCLibrary层若没有改变，则只需要编译一次33Workspacesandprojects–编译&代码下载34选择：STM32Fxxx_Userproject根据不同的MCU选择不同的workspaceWorkspacesandprojects–KEIL•Workspa