基于STM32F103的深海远程电机控制系统设计

　　其中rs 是定子绕组的相电阻， Lms和L Is分别是定子绕组的励磁电感和漏电感，  r 是转子电角度， Φm 是永磁体产生的磁链。由式( 2)可知， 三相定子的磁链是相互耦合的， 同时它们都是转子位置的函数， 这样就给控制带来了难度。

　　上世纪70年代西门子工程师F. B laschke首先提出了矢量控制理论来解决交流电机的转矩控制问题，使交流电机特性得到极大的改善。矢量控制采用矢量变换方法， 通过把交流电机的磁通与转矩控制解耦， 使交流电机的控制等效于直流电机。在图2中，利用坐标变换理论把三相静止的abc 坐标系变换成旋转的dq坐标， 其中d 轴为永磁体转子基波磁场的方向， 而q轴顺着旋转方向超前d 轴90 电角度。转子参考坐标的旋转速度即为转子速度。在dq 坐标轴上的定子电压方程和磁链方程简化为:

　　而面装式PMSM 的电磁力矩可按下式计算， 其中P为电机的极对数:

　　把式( 4)代入式( 5)， 并且已知面装式PMSM的Ld =Lq， 故最终可得电磁力矩表达式为:

　　从式( 6)可以看出控制定子的q 轴电流即可控制电机的电磁转矩。

　　2. 4  IPM功率驱动和电流采样模块

　　本设计的功率部分采用了FAIRCH ILD 公司的FSBB20CH60 IPM模块， 该功率智能模块集成的MOS管最大工作电压为600 V， 最大工作电流20 A， 具有很强的自我保护电路， 并带有一路故障输出。采用功率模块不但减小了系统的体积， 而且比采用功率管加驱动芯片的方案具有更强的可靠性。FSBB20CH60的三相电压输出U、V、W 分别接PMSM 的ABC 相，Nu、Nv 和Nw 是三个半桥的下半桥输出， 分别接电流采样电阻， 阻值为15m#。现以U相为例说明电流的采样方法。如图5所示， Nu 和N 端分别接运放的正相端和反相端， 由于相电流可能流入绕组也可能流出绕组， 因此电压信号是有正有负， 而STM32F103 的ADC 输入电压范围为0 V到3. 3 V， 故需要加偏置电压VOFFSET。电流的计算方法如式( 7)所示。

　　其中取R158 = R159 = 3. 9 kΩ， R 152 = R153 = 1 kΩ， 代入化简可得式( 9)， 再把式( 10)代入即可求得电流IU的值。

图5  电流采样原理图

　　2. 5  光耦隔离RS232

　　为防止电机控制系统因高压击穿进而损坏数据耦合通信模块， 在STM32F103微控制器和数据耦合通信模块之间采取了光耦隔离措施。光耦隔离RS232的原理图如图6所示。隔离芯片采用4N35，由于光耦器件的速度限制且所需传送的数据量较小， 故RS232的通信速率设定为9600波特率。

图6  光耦隔离RS232

　　2. 6  STM32F103微控制器

　　ST公司的STM32F103控制器采用了ARM 公司最新的Cortex M3内核， 哈佛结构上实现1 25DM IPS /MH z， 3级流水线并带分支指令预测， 采用Thumb 2指令集， 最高工作频率可达72MH z。STM32F103片上集成了一个高级定时器TIM1， 能够输出六路互补带死区的PWM波， 并且具有输入打断功能。当功率器件上出现过流时使用打断功能来关闭PWM 输出， 保护功率器件。电机控制软件流程图如图7所示。

图7  电机控制软件流程图

　　2. 7  DC /DC及电源管理模块

　　DC /DC电源把同轴电缆上的1 kV 功率电压降为电机的300 V 工作电压并同时产生供FSBB20CH60功率模块使用的15 V电压， 该电压为其集成MOS管的门极驱动电平。电源管理模块则使用LM7805 和LM1117， 把15 V 电压进一步降低， 产生供STM32F103微控制器及控制系统中其它器件使用的3. 3 V 电压。

　　3  系统测试

　　水上部分的电源采用高性能的稳压直流电源， 以减少纹波干扰， 输出电压为1 kV。电机负载逐渐加大， 实验数据如表1所示。其中Us、Is 和P s 分别为稳压直流电源的输出电压、电流及功率， U1、I1 和P 1 分别是DC /DC 模块的输出电压、电流及功率。实验结果表明， 从空载到接近额定功率范围内， STM32F103通过光耦隔离的RS232能够正常的接收上位机发送的起停、加速减速指令， 电机运行良好， 可见电机运行时不影响同轴电缆上的正常通信， 符合设计要求。

　表1  负载逐渐加大时的电机控制情况

　　4  结束语

　　本文使用意法半导体公司的最新ARM Cortex-M3 微控制器STM32F103 控制PMSM 电机，STM32F103具有高速双AD、高级定时器等电机控制所必须的电路， 且具有较高的工作频率。同时利用数据与能源混合传输技术， 实现了既对深海动力设备供电又能进行远程控制， 克服了使用锂电池供电的诸多弊病。

　　这种设备已经成功的应用在了我国科学考察船“大洋一号”上， 实践证明， 比传统的方法更具灵活高效， 大大增加了科考作业时间， 减少了设备维护次数， 具有很好的应用前景。