使用STM32实现PMSM电机的正弦驱动

Microchip 的应用笔记 AN1017 讲述了一种使用空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）方法产生用于驱动 PMSM 电机各相的正弦电流，以此驱动具有霍尔位置传感器的永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的控制算法，其配套的开源算法采用 dsPIC® 数字信号控制器实现，此前在淘宝购入了一块基于 STM32 的无刷直流电机开发板，于是试着将该开源代码移植至手上这块开发板上。开发板如下图所示：

中断服务程序一览表

中断 何时调用 执行操作

TIM1 20kHz 根据当前位置使用 SVM 产生正弦波

TIM2 1kHz 电机堵转保护，执行 PID 控制

TIM3 霍尔信号跳变 计算转子位置，确定转子机械方向，实现正弦波指针与转子位置的同步

DMA1 54.9kHz 读取来自电位器的新转速给定值

其中定时器3被配置为“接口定时器”，捕获/比较通道1对每一次霍尔信号的跳变进行捕获，捕获值为电机转过60°电角度的时间，以此计算转速；捕获/比较通道2被配置为对其中一路霍尔反馈信号的下降沿进行捕获，即电机每转过180°电角度（经评论区lanmanck指正，应为360°）判定一次运转方向，避免在霍尔信号跳变的临界区域对运转方向判定带来干扰。

PID 算法

速度环 PID 算法采用 CMSIS DSP Software Library 中提供的 Q15 格式 PID 算法，查阅其资料可知该算法同 AN1017 所述，从常规 PID 形式改进至类滤波器 PID 实现形式，算法如下：

Algorithm:

y[n] = y[n-1] + A0 * x[n] + A1 * x[n-1] + A2 * x[n-2]

A0 = Kp + Ki + Kd

A1 = (-Kp ) - (2 * Kd )

A2 = Kd

在此，对该算法进行推导，由 PID 算法的定义有：

y[n] = Kp * x[n] + Ki * (x[n] + x[n-1] + … ) + Kd * (x[n] - x[n-1])

y[n-1] = Kp * x[n-1] + Ki * (x[n-1] + x[n-2] + … ) + Kd * (x[n-1] - x[n-2])

两式相减：

y[n] - y[n-1] = Kp * (x[n] - x[n-1]) + Ki * x[n] + Kd * (x[n] - x[n-1] - x[n-1] + x[n-2]

则原式得证：

y[n] = y[n-1] + (Kp + Ki + Kd) * x[n] + (-Kp - 2 * Kd) * x[n-1] + Kd * x[n-2]

按键操作说明

FUN 键作为运行与停止的控制，UP 键作为转速给定方向的切换。

实测波形

正弦电流的产生依赖于对转子位置的估测，现将程序中变量 Phase 通过 DA 输出，用示波器测量电机运转在1000 RPM 时的波形如下：

通过霍尔传感器对电机线电流进行观测，电机运转在1000 RPM 时的电流波形如下：

电机运转在4000 RPM 时的电流波形如下：