1、STM32 PMSM FOC SDK V4.0Motor Control trainingDay1蒋建国MCU ApplicationAgenda STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述工具：IDE，GUI，demo 板 SDK V4.0：使用体验 HFI(High Frequency Injection): 理论概述 HFI：软件参数调整及马达调试2STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述STM32 PMSM FOC SDK V4.0 SDK V4.0软件包包含：PMSM FOC 固件库和ST MC Workbench(GUI)，允许用户使用STM32进行单或双PMSM
2、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 Scalar control成本敏感应用低低低低端应用端应用端应
3、用端应用STM32F4xx180MHZ,Cortex-M4STM32F2xx120MHZ,Cortex-M3STM32F3xx72MHZ,Cortex-M4STM32F10372MHZ,Cortex-M3STM32F0xx48MHZ,Cortex-M0STM32F10024MHZ,Cortex-M3STM8S24MHZ,ST coreFOC MC FW libMC FW libIndustrial motor drivesFitness, wellness and healthcareHome appliancesGamesFanPMSM马达 Permanent Magnet Synchron
4、ous Motor(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）6PMSM FOC 简介7tTe maximized ifrs90el90el29/10/2014STM32 PMSM FOC SDK v3.2 Field Oriented Control: 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
5、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PMSM FOC 简介:坐标系转换8 clarke变换: ia,ib,ic (120) 转换为i,i(90); (假设ia+ib+ic=0)，交流-交流： Park变换：i,i转换为id,iq (90)，交流-直流：反Park变换：Vq,Vd转换为V , V: 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32 bsasasiiiii+=rradsrrqsiiiiiicossinsincos+
6、=rdsrqsrdsrqsvvvvvvcossinsincos+=+=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9PMSM FOC 框图10Speed Control Current ControlGate driversMotorva,b,cSpeedsensors: Sensorless,Hall,EncoderBKIN DC V TEMPCurrent
7、sensors: 3shunt/1shunt/ICSPower BridgeIPM/Discrete+r*,tvdsvqs+-PIDPIDiqdiq*id*REVERSE PARK + circle limitationvabcr elviabcPARK r eliCLARKEMTPA & FLUX WEAKENING CONTROLLERROTOR SPEED/POSITION FEEDBACKPIDTe*+-SpaceVectorPWMPHASE CURRENTS FEEDBACKRAMP GENERATORwr*29/10/2014STM32 PMSM FOC SDK v3.2Dual
8、PMSM FOC 框图11Gate drivers Power bridge1 Motor1va,b,cSpeedsensors: Sensorless,Hall,EncoderBKIN Current sensors: 3shunt/1shunt/ICSPower bridge2Motor2Speedsensors: Sensorless,Hall,EncoderCurrent sensors: 3shunt/1shunt/ICSva,b,cBKINr*1r*2Gate drivers29/10/2014STM32 PMSM FOC SDK v3.2FOC SDKV4.0的配置1/2速度及位
9、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 State Observer + 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% State Observer + CORDIC12FOC SDKV4.0的配置2/2相电流采样支持： 1-SHUNT：采样电阻放在DC BUS上 ST专利的算法
10、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13STM32F3xx F4xx算法集及MCU 支持14STM32F103x HD/XL F2xSTM32F103x LD/MDSTM32F100x,STM32F0xxEncoderHallICS1shunt 3shuntFreeRTOSF103,F2xxUSARTAdd-OnIPMSM
11、MTPAFluxWeakeningMax FOC*23 kHzSensorlessSTO+PLLFeedForwardDual MotorControlSensorlessSTO+CORDICMax FOC *F100 11 kHzF0xx 12 kHzMax FOC Dual * F10320kHF2xx36kHGUI supportDebugTuningMax FOC * F10323kzF2xx40kzHFIMax FOC Dual * F327kzF445kzMax FOC * F330kzF450kz*：在sensorless模式下ST MC FOC SDK V4.0STM32 FO
12、C 性能指标15工具：GUI，IDE ，demo 板工具：ST MC Workbench 1/2 STMCWB PC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171 234工具：ST MC Workbench 2/2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STM32Fxx MC KIT 特点： PMSM FOC 控制 Sensor/Sensorless Hall En
13、coder 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1/2 25拓扑结构Power bridgeFanSensorlessCurrent sensors: 1shunt / 3-shuntva,b,cBKINr*Gate driversUser Interface: Serial communication with PC SWD
14、 debug/program SPI interface for DAC Speed reference input/motor speed output LED: indicates the fault statusSTM32F0xxSTM32F0xx风扇demo板2/2 26同时支持1-shunt/3-shunt相电流波形速度：600rpm功率：38W更多关于STM32 PMSM FOC SDK的信息 SDK V4.0软件包：请向ST MCU 市场工程师申请帮助文档：在SDK V4.0的安装目录中 UM1052：STM32F PMSM single/dual FOC SDK v4.0 UM
15、1053：Advanced developers guide for STM32F MCUs PMSM single/dualFOC library UM1080：Quick start guide for STM32F PMSM single/dual FOC SDK V4.0 ST马达控制论坛：https:/ PMSM FOC SDK V4.0新特性新特性新的架构 Workspaces and projects(IAR EWARM/KEIL)若干个软件库使用例程 MC Applications(State machine, Tasks) Light/Full LCD 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30
