馬達驅(qū)動是自動化工業(yè)市場的一個主要特點，意法半導體（ST）擁有各種馬達專用軟硬體解決方案，為滿足各種應(yīng)用需求，ST 馬達控制生態(tài)系統(tǒng)含有整體解決方案，例如評估板、韌體（FW）庫和相關(guān)資料。

現(xiàn)在ST 馬達控制生態(tài)系統(tǒng)新增一個叫做 STM32 PMSM FOC SDK v4.0 的永磁同步馬達（PMSM）控制韌體庫。這些工具有助於縮短客戶產(chǎn)品研發(fā)週期，加快對意法半導體產(chǎn)品的評估。事實上，意法半導體支援自動化和工業(yè)領(lǐng)域的各種馬達控制，這歸功於創(chuàng)新的產(chǎn)品組合，包括功率電晶體、智慧功率模組 、馬達驅(qū)動器晶片和最新的微控制器。

PMSM FOC SDK功能和專用演算法提升了意法半導??體工業(yè)馬達驅(qū)動產(chǎn)品評估的實用價值。為實現(xiàn)這個目標，硬體和韌體解決方案必須協(xié)同工作。此外，為取得最高的馬達控制性能，大家非常熟悉的三相無刷馬達向量控制技術(shù)（FOC）新增多種不同的專用演算法。

圖1 : 自動化和工業(yè)馬達控制

意法半導體早在多年前就開始向量控制技術(shù)的研發(fā)，2009年發(fā)佈了首款支援STM32微控制器及STM32馬達控制開發(fā)板的3相馬達控制韌體庫。此後，該解決方案被不斷進步，新增多項功能：

? 無感測器式永磁馬達控制（兩個互補演算法、反電動勢狀態(tài)估計器和高頻注入）

? 韌體庫完全可配置，支援STM32F全系產(chǎn)品（F0、F1、F2、F3、F4），支援意法半導體的功率級產(chǎn)品（如SLLIMM智慧功率模組）或分立解決方案（功率MOSFET、IGBT、閘極驅(qū)動器）

? 透過個人電腦軟體（ST MC Workbench）配置韌體庫，?明使用者設(shè)置系統(tǒng)，在個人電腦與韌體之間即時通訊

? 透過一個微控制器同時驅(qū)動兩個馬達的「雙驅(qū)」馬達控制

? 其它功能，例如：磁通量弱化、內(nèi)磁式馬達MTPA（最大轉(zhuǎn)矩電流比）和正饋電流調(diào)節(jié)

韌體與硬體工具（控制級+功率級或整體解決方案）配合使用，有助於使用者快速開始產(chǎn)品原型設(shè)計。

圖2 : 永磁同步馬達控制生態(tài)系統(tǒng)

STM32 FOC SDK V4.0 新功能STM32 FOC SDK V4.0是該韌體庫的2014年新版，其架構(gòu)改善之處主要是韌體的易用性，強化易用性有助於使用者加快產(chǎn)品設(shè)計，縮短研發(fā)週期，這兩個因素是電子企業(yè)取得成功的關(guān)鍵。為提高軟體發(fā)展工具的易用性，從原始程式碼到個人電腦繪圖使用者介面軟體，意法半導體馬達控制生態(tài)系統(tǒng)新增很多功能，並配有一套開發(fā)資料，其中包括技術(shù)文檔、常見問題解答、展示文件、軟體示例、用例、教程和視訊。

STM32 FOC SDK V4.0生態(tài)系統(tǒng)包括快速高效設(shè)計所需的兩大工具：韌體庫和個人電腦繪圖使用者介面軟體。

從高性能價格比的48Mhz Cortex-M0 STM32F030x，到整合各種類比IP模組的STM32F30x，再到最先進的支援浮點指令的180Mhz Cortex-M4 STM32F4，STM32向量控制韌體庫支援STM32 F全系產(chǎn)品。從醫(yī)療用的小型馬達，到工廠自動化或電力牽引用大型伺服馬達，STM32覆蓋各種馬達控制應(yīng)用領(lǐng)域。不同於其它品牌的馬達控制解決方案，STM32 FOC韌體庫採用了物件導向的方法，這也是意法半導體韌體庫支援不同系列微控制器的原因。

除保留上一版軟體抽象層結(jié)構(gòu)嚴謹?shù)膬?yōu)點外，V4.0版還簡化了Workspaces，減少了每次配置的專案數(shù)量。此外，韌體庫支援的IDE開發(fā)環(huán)境過去只有IAR Embedded Workbench，現(xiàn)在還支援KEIL Microvision整合式開發(fā)環(huán)境。

馬達控制應(yīng)用程式設(shè)計介面（API）是上一版的旗艦技術(shù)，新版中的API增加了新功能。此外，新版套裝軟體還增加一套軟體示例。使用者可以利用馬達控制API匯出的函數(shù)實現(xiàn)典型用例，將其用於最終應(yīng)用設(shè)計中，例如：

? 根據(jù)類比輸入電壓設(shè)置轉(zhuǎn)速參考值

? 輸出PWM訊號與轉(zhuǎn)速測量值保持比例關(guān)係

? 即時修改控制器頻寬等參數(shù)

? 即時修改控制環(huán)路的轉(zhuǎn)速感測器和位置感測器參數(shù)

實現(xiàn)這個功能所需的全部代碼都在軟體示例內(nèi)，可以用作創(chuàng)建更復雜項目的基礎(chǔ)，也可以視為理解API本身背后邏輯的參考指南。馬達控制庫兼作一個黑匣子，說明如何向馬達發(fā)布命令，例如：啟動、停止或減速，還可用于接收馬達回饋訊號，例如：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率的測量值。韌體庫還能讓客戶專注應(yīng)用頂層研發(fā)，利用特定的策略知識設(shè)計差異化解決方案。

圖3 : MC SDK 4.0使用者介面

在4.0版中，韌體使用者介面有兩個通訊通道。如果控制板裝有LCD液晶螢?zāi)?，則可以實現(xiàn)一個輕量（小代碼量）的LCD繪圖使用者介面，簡版LCD能夠讓用戶更靈活地定制繪圖使用者介面，增加更多的用戶韌體互動功能。如果控制板沒有LCD螢?zāi)?，則可以透過USART在韌體和個人電腦之間建立即時通訊通道。V4.0還可以建立快速的單向通訊通道，讓韌體能夠以最大速率向個人電腦連續(xù)不斷地發(fā)送資料，不包含用於監(jiān)視快速變化的變數(shù)的控制位元組。

Workbench的其它新功能

? 無感測器啟動設(shè)置視窗新增強加電流和加速繪圖使用者介面，為使用者帶來參數(shù)描述視覺化的好處。

? 與工具捆綁發(fā)行的Workbench專案配置更加豐富，覆蓋各種參考設(shè)計板。

? Workbench與技術(shù)文檔之間的連結(jié)被強化，在程式功能表內(nèi)輸入一個新專案後，用戶被直接轉(zhuǎn)向技術(shù)文檔：快速入門、用戶手冊、開發(fā)人員手冊和API參考手冊。

? 此外，Workbench從上一版開始完全支援數(shù)字PFC插接板，現(xiàn)在還能夠設(shè)置功率級AC輸入範圍，處理已實現(xiàn)的安全功能，例如：過電流和過電壓，讓用戶在驅(qū)動管理級設(shè)置適合的閾值。

利用高頻注入法實現(xiàn)零速控制

新版韌體的改善之處不局限於使用體驗和易用性。4.0版包含一個新的無感測器控制演算法及上一版的BEMF狀態(tài)估計器，新的無感測器控制演算法叫做「高頻注入（HFI）」，適用於內(nèi)磁式永磁同步馬達（PMSM）。在這種馬達內(nèi)，磁體不是裝在轉(zhuǎn)子表面，而是埋在轉(zhuǎn)子的鐵晶片。內(nèi)磁式永磁同步馬達 出現(xiàn)電感異向性，從繞組與象限和直軸的關(guān)係中不難看出這一點（Lq不同於 Ld）。

圖4 : 馬達磁結(jié)構(gòu)

高頻注入方法利用磁體結(jié)構(gòu)的異向性檢測低速和靜止轉(zhuǎn)子的角位置，這種無感測器檢測技術(shù)擴大了反電動勢 （BEMF）估計器或者反向電磁力檢測技術(shù)的轉(zhuǎn)速檢測範圍。因為反電動勢幅度與馬達轉(zhuǎn)速是比例關(guān)係，所以，當馬達靜止或轉(zhuǎn)速極低時，反電動勢幅度因太小而不易被發(fā)現(xiàn)?；兑环N完全不同的物理學原理的高頻注入法可以控制低轉(zhuǎn)速執(zhí)行的馬達。脈動場被注入到馬達內(nèi)， 利用馬達磁結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流計算電角。為了避免產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，注入頻率的設(shè)定值必須高于基本頻率。像是用X射線掃描馬達，檢測轉(zhuǎn)子相對磁體結(jié)構(gòu)異向性的電位置。這種方法適用于靜止到低轉(zhuǎn)速階段，與反電動勢估計器協(xié)同工作，根據(jù)馬達轉(zhuǎn)速即時自動切換控制方法。

這種新演算法將屬於意法半導體為客戶提供的多項馬達控制SDK創(chuàng)新專利技術(shù)，具有多項優(yōu)點：

? 零速全轉(zhuǎn)矩

? 低速運轉(zhuǎn)

? 無感測器式啟動，無反向旋轉(zhuǎn)

? 最快的無感測器式啟動

? 無感測器正（順時針）反（逆時針）向轉(zhuǎn)速檢測

此外，該解決方案可提升受益於啟動效率的應(yīng)用系統(tǒng)價值，包括空氣壓縮機、低速執(zhí)行或反向旋轉(zhuǎn)（洗衣機或工業(yè)自動化、電動自行車或牽引馬達）以及更多新興應(yīng)用。

硬體工具

意法半導體為其馬達控制韌體庫提供配套評估板，讓用戶能夠在實際馬達控制系統(tǒng)內(nèi)評測意法半導體產(chǎn)品，例如：智慧功率模組（SLLIMM）、IGBT、閘極驅(qū)動器、馬達控制晶片和微控制器。針對三相馬達控制應(yīng)用，我們主要介紹以下內(nèi)容：

由控制板和功率板構(gòu)成的靈活的模組化系統(tǒng)，其中，控制板裝有任何一款 STM32 F0、F1、F2、F3或F4微控制器，以及豐富的功能周邊設(shè)備，例如：MEMS、溫度感測器、外部記憶體、LCD液晶螢?zāi)弧⑹瞻l(fā)器、攝影鏡頭等；在功率板上有基於SLLIMM（小型模塑低損耗智慧功率模組）的變頻器，或者功率MOSFET或IGBT和閘極驅(qū)動器的離散元件?？刂瓢搴凸β拾蹇梢酝高^意法半導體的標準「馬達控制連接器」相連，確保控制級和功率級全面相容。

圖5 : 靈活的系統(tǒng)控制板和功率板

舉例而言，單板馬達驅(qū)動解決方案是在一塊電路板上整合馬達驅(qū)動所需全部功能，適合於某些特定應(yīng)用，例如：空調(diào)、吊扇、洗碗機等；以STEVAL-IHM034V2為例，該方案能夠驅(qū)動最高1.4kW的永磁同步馬達PMSM，再連接一塊電路板，能夠同時驅(qū)動兩臺馬達（FOC）。

圖6 : 完整的馬達驅(qū)動器

結(jié)論

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(yè)控制解決方案不斷增加新的功能、技術(shù)和產(chǎn)品，擴大意法半導體馬達控制生態(tài)系統(tǒng)，以順應(yīng)在工具易用性和快速評估的趨勢，同時關(guān)注能效、整合度和成本最佳化等設(shè)計問題。

（本文作者Gianluigi Forte、Dino Costanzo、Antonino Bruno任職於意法半導體）