馬達(dá)驅(qū)動(dòng)是自動(dòng)化工業(yè)市場(chǎng)的一個(gè)主要特點(diǎn)，意法半導(dǎo)體（ST）擁有各種馬達(dá)專用軟硬體解決方案，為滿足各種應(yīng)用需求，ST 馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)含有整體解決方案，例如評(píng)估板、韌體（FW）庫(kù)和相關(guān)資料。
現(xiàn)在ST 馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)新增一個(gè)叫做 STM32 PMSM FOC SDK v4.0 的永磁同步馬達(dá)（PMSM）控制韌體庫(kù)。這些工具有助於縮短客戶產(chǎn)品研發(fā)週期，加快對(duì)意法半導(dǎo)體產(chǎn)品的評(píng)估。事實(shí)上，意法半導(dǎo)體支援自動(dòng)化和工業(yè)領(lǐng)域的各種馬達(dá)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(dá)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品評(píng)估的實(shí)用價(jià)值。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，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(dá)控制性能，大家非常熟悉的三相無(wú)刷馬達(dá)向量控制技術(shù)（FOC）新增多種不同的專用演算法。
| 圖1 : 自動(dòng)化和工業(yè)馬達(dá)控制 |
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意法半導(dǎo)體早在多年前就開(kāi)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(dá)控制開(kāi)發(fā)板的3相馬達(dá)控制韌體庫(kù)。此後，該解決方案被不斷進(jìn)步，新增多項(xiàng)功能：
? 無(wú)感測(cè)器式永磁馬達(dá)控制（兩個(gè)互補(bǔ)演算法、反電動(dòng)勢(shì)狀態(tài)估計(jì)器和高頻注入）
? 韌體庫(kù)完全可配置，支援STM32F全系產(chǎn)品（F0、F1、F2、F3、F4），支援意法半導(dǎo)體的功率級(jí)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(dòng)器）
? 透過(guò)個(gè)人電腦軟體（ST MC Workbench）配置韌體庫(kù)，?明使用者設(shè)置系統(tǒng)，在個(gè)人電腦與韌體之間即時(shí)通訊
? 透過(guò)一個(gè)微控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)馬達(dá)的「雙驅(qū)」馬達(dá)控制
? 其它功能，例如：磁通量弱化、內(nèi)磁式馬達(dá)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(jí)+功率級(jí)或整體解決方案）配合使用，有助於使用者快速開(kāi)始產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)。
| 圖2 : 永磁同步馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng) |
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STM32 FOC SDK V4.0 新功能STM32 FOC SDK V4.0是該韌體庫(kù)的2014年新版，其架構(gòu)改善之處主要是韌體的易用性，強(qiáng)化易用性有助於使用者加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短研發(fā)週期，這兩個(gè)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(gè)人電腦繪圖使用者介面軟體，意法半導(dǎo)體馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)新增很多功能，並配有一套開(kāi)發(fā)資料，其中包括技術(shù)文檔、常見(jiàn)問(wèn)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(jì)所需的兩大工具：韌體庫(kù)和個(gè)人電腦繪圖使用者介面軟體。
從高性能價(jià)格比的48Mhz Cortex-M0 STM32F030x，到整合各種類(lèi)比IP模組的STM32F30x，再到最先進(jìn)的支援浮點(diǎn)指令的180Mhz Cortex-M4 STM32F4，STM32向量控制韌體庫(kù)支援STM32 F全系產(chǎn)品。從醫(yī)療用的小型馬達(dá)，到工廠自動(dòng)化或電力牽引用大型伺服馬達(dá)，STM32覆蓋各種馬達(dá)控制應(yīng)用領(lǐng)域。不同於其它品牌的馬達(dá)控制解決方案，STM32 FOC韌體庫(kù)採(cǎi)用了物件導(dǎo)向的方法，這也是意法半導(dǎo)體韌體庫(kù)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(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)點(diǎn)外，V4.0版還簡(jiǎn)化了Workspaces，減少了每次配置的專案數(shù)量。此外，韌體庫(kù)支援的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境過(guò)去只有IAR Embedded Workbench，現(xiàn)在還支援KEIL Microvision整合式開(kāi)發(fā)環(huán)境。
馬達(dá)控制應(yīng)用程式設(shè)計(jì)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(dá)控制API匯出的函數(shù)實(shí)現(xiàn)典型用例，將其用於最終應(yīng)用設(shè)計(jì)中，例如：
? 根據(jù)類(lèi)比輸入電壓設(shè)置轉(zhuǎn)速參考值
? 輸出PWM訊號(hào)與轉(zhuǎn)速測(cè)量值保持比例關(guān)係
? 即時(shí)修改控制器頻寬等參數(shù)
? 即時(shí)修改控制環(huán)路的轉(zhuǎn)速感測(cè)器和位置感測(cè)器參數(shù)
實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能所需的全部代碼都在軟體示例內(nèi)，可以用作創(chuàng)建更複雜項(xiàng)目的基礎(chǔ)，也可以視為理解API本身背後邏輯的參考指南。馬達(dá)控制庫(kù)兼作一個(gè)黑匣子，說(shuō)明如何向馬達(dá)發(fā)佈命令，例如：?jiǎn)?dòng)、停止或減速，還可用於接收馬達(dá)回饋訊號(hào)，例如：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率的測(cè)量值。韌體庫(kù)還能讓客戶專注應(yīng)用頂層研發(fā)，利用特定的策略知識(shí)設(shè)計(jì)差異化解決方案。
在4.0版中，韌體使用者介面有兩個(gè)通訊通道。如果控制板裝有LCD液晶螢?zāi)唬瑒t可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)輕量（小代碼量）的LCD繪圖使用者介面，簡(jiǎn)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(dòng)功能。如果控制板沒(méi)有LCD螢?zāi)唬瑒t可以透過(guò)USART在韌體和個(gè)人電腦之間建立即時(shí)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(gè)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(wú)感測(cè)器啟動(dòng)設(shè)置視窗新增強(qiáng)加電流和加速繪圖使用者介面，為使用者帶來(lái)參數(shù)描述視覺(jué)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(jì)板。
? Workbench與技術(shù)文檔之間的連結(jié)被強(qiáng)化，在程式功能表內(nèi)輸入一個(gè)新專案後，用戶被直接轉(zhuǎn)向技術(shù)文檔：快速入門(mén)、用戶手冊(cè)、開(kāi)發(fā)人員手冊(cè)和API參考手冊(cè)。
? 此外，Workbench從上一版開(kāi)始完全支援?dāng)?shù)字PFC插接板，現(xiàn)在還能夠設(shè)置功率級(jí)AC輸入範(fàn)圍，處理已實(shí)現(xiàn)的安全功能，例如：過(guò)電流和過(guò)電壓，讓用戶在驅(qū)動(dòng)管理級(jí)設(shè)置適合的閾值。
利用高頻注入法實(shí)現(xiàn)零速控制
新版韌體的改善之處不局限於使用體驗(yàn)和易用性。4.0版包含一個(gè)新的無(wú)感測(cè)器控制演算法及上一版的BEMF狀態(tài)估計(jì)器，新的無(wú)感測(cè)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(dá)（PMSM）。在這種馬達(dá)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(dá) 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(diǎn)（Lq不同於 Ld）。
高頻注入方法利用磁體結(jié)構(gòu)的異向性檢測(cè)低速和靜止轉(zhuǎn)子的角位置，這種無(wú)感測(cè)器檢測(cè)技術(shù)擴(kuò)大了反電動(dòng)勢(shì) （BEMF）估計(jì)器或者反向電磁力檢測(cè)技術(shù)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)範(fàn)圍。因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)幅度與馬達(dá)轉(zhuǎn)速是比例關(guān)係，所以，當(dāng)馬達(dá)靜止或轉(zhuǎn)速極低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)幅度因太小而不易被發(fā)現(xiàn)。基於一種完全不同的物理學(xué)原理的高頻注入法可以控制低轉(zhuǎn)速執(zhí)行的馬達(dá)。脈動(dòng)場(chǎng)被注入到馬達(dá)內(nèi)， 利用馬達(dá)磁結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流計(jì)算電角。為了避免產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，注入頻率的設(shè)定值必須高於基本頻率。像是用X射線掃描馬達(dá)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)磁體結(jié)構(gòu)異向性的電位置。這種方法適用於靜止到低轉(zhuǎn)速階段，與反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)器協(xié)同工作，根據(jù)馬達(dá)轉(zhuǎn)速即時(shí)自動(dòng)切換控制方法。
這種新演算法將屬於意法半導(dǎo)體為客戶提供的多項(xiàng)馬達(dá)控制SDK創(chuàng)新專利技術(shù)，具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：
? 零速全轉(zhuǎn)矩
? 低速運(yùn)轉(zhuǎn)
? 無(wú)感測(cè)器式啟動(dòng)，無(wú)反向旋轉(zhuǎn)
? 最快的無(wú)感測(cè)器式啟動(dòng)
? 無(wú)感測(cè)器正（順時(shí)針）反（逆時(shí)針）向轉(zhuǎn)速檢測(cè)
此外，該解決方案可提升受益於啟動(dòng)效率的應(yīng)用系統(tǒng)價(jià)值，包括空氣壓縮機(jī)、低速執(zhí)行或反向旋轉(zhuǎn)（洗衣機(jī)或工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)自行車(chē)或牽引馬達(dá)）以及更多新興應(yīng)用。
硬體工具
意法半導(dǎo)體為其馬達(dá)控制韌體庫(kù)提供配套評(píng)估板，讓用戶能夠在實(shí)際馬達(dá)控制系統(tǒng)內(nèi)評(píng)測(cè)意法半導(dǎo)體產(chǎn)品，例如：智慧功率模組（SLLIMM）、IGBT、閘極驅(qū)動(dòng)器、馬達(dá)控制晶片和微控制器。針對(duì)三相馬達(dá)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(cè)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(dòng)器的離散元件。控制板和功率板可以透過(guò)意法半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)「馬達(dá)控制連接器」相連，確保控制級(jí)和功率級(jí)全面相容。
舉例而言，單板馬達(dá)驅(qū)動(dòng)解決方案是在一塊電路板上整合馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(jī)等；以STEVAL-IHM034V2為例，該方案能夠驅(qū)動(dòng)最高1.4kW的永磁同步馬達(dá)PMSM，再連接一塊電路板，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)馬達(dá)（FOC）。
| 圖6 : 完整的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器 |
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結(jié)論
簡(jiǎn)要介紹了最新版MC FOC SDK的新功能特性，意法半導(dǎo)體的自動(dòng)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(kuò)大意法半導(dǎo)體馬達(dá)控制生態(tài)系統(tǒng)，以順應(yīng)在工具易用性和快速評(píng)估的趨勢(shì)，同時(shí)關(guān)注能效、整合度和成本最佳化等設(shè)計(jì)問(wèn)題。
（本文作者Gianluigi Forte、Dino Costanzo、Antonino Bruno任職於意法半導(dǎo)體）
