何龍

摘 要：文章采用基于Cortex-M7內(nèi)核的STM32F7，設(shè)計了一套電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其具有串口通訊、以太網(wǎng)通訊、永磁同步電機(jī)驅(qū)動等功能。在軟件設(shè)計上，通過移植Rt-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多線程處理，同時合理地分配了中斷資源，保證電機(jī)驅(qū)動算法能夠得到及時運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了id=0電機(jī)控制算法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其具有良好的控制精度。

關(guān)鍵詞：電機(jī)驅(qū)動；STM32；Rt-Thread

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0095-02

Abstract： Based on STM32F7 with a Cortex-M7 kernel， a motor drive system is designed， which has the functions of serial communication， Ethernet communication， permanent magnet synchronous motor drive and so on. In software design， multi-thread processing is realized by transplanting Rt-Thread real-time operating system， and interrupt resources are allocated reasonably to ensure that the motor drive algorithm can be run in time. The id=0 motor control algorithm is realized， and its good control accuracy is verified by experiments.

Keywords： motor drive； STM32； Rt-Thread

引言

傳統(tǒng)上，承載著關(guān)鍵電機(jī)控制算法的核心處理器主要為DSP。DSP芯片內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制PWM接口等，因此使得電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計靈活、簡易、集成度高，而且DSP尤其擅長高速運(yùn)算，所以它們在電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

盡管DSP在電機(jī)控制市場表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，但值得注意的是，ARM的最新一代內(nèi)核Cortex-M7以其突出的性價比，越來越廣泛地進(jìn)入電機(jī)控制領(lǐng)域。STM32F7工作頻率高達(dá)200MHz，采用6級超標(biāo)量流水線和浮點(diǎn)單元，測試分?jǐn)?shù)高達(dá)1000CoreMarks。本文采用基于Cortex-M7內(nèi)核的STM32F7，設(shè)計了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由控制電路、傳感器采樣電路、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換電路、逆變電路組成[1]。如圖1所示，380V三相電通過AC/DC電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成直流電源，為逆變電路供電，逆變電路在控制電路輸出的PWM信號控制下驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，同時傳感器采樣電路采集電壓、電流、速度信息，并反饋到控制電路，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的同時，將系統(tǒng)狀態(tài)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)；同時Uart接口傳輸控制臺信息，控制系統(tǒng)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)功率電路采用三相橋式整流電路，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直流電通過三相全橋逆變電路驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。傳感器采樣電路采用霍爾電流傳感器精確采樣三相電流信號；通過運(yùn)算放大器構(gòu)建差分采樣電路獲取電壓信號；通過旋轉(zhuǎn)變壓器以及旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AD2S1205獲取轉(zhuǎn)子位置和速度信息；控制電路采用STM32F746NG為核心控制單元，并且擴(kuò)展以太網(wǎng)芯片RTL8208。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件基于RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)。RT-Thread 是一款由中國開源社區(qū)主導(dǎo)開發(fā)的開源嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，它包含實(shí)時嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的各個組件：實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，TCP/IP協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、libc接口、圖形引擎等[2]。

軟件劃分為電機(jī)控制線程、以太網(wǎng)接收線程，以太網(wǎng)發(fā)送線程、Http服務(wù)線程、tshell線程、phy監(jiān)控線程，其軟件結(jié)構(gòu)見圖2。各個線程具體工作及其優(yōu)先級描述如下：

系統(tǒng)調(diào)度：RT-Thread的實(shí)時調(diào)度內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)各個線程的調(diào)度。

電機(jī)控制線程：解析接收到的控制命令，切換電機(jī)的工作狀態(tài)；根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)切換電機(jī)工作狀態(tài)；其優(yōu)先級為9。

以太網(wǎng)接收線程：檢測以太網(wǎng)連接狀態(tài)，并將以太網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)傳給上層協(xié)議；其優(yōu)先級為10。

以太網(wǎng)發(fā)送線程：接收上層協(xié)議傳來的數(shù)據(jù)，并發(fā)送；其優(yōu)先級為10。

Http服務(wù)線程：將采集到的電流、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息傳給上位機(jī)，并且接收上位機(jī)對電機(jī)的控制命令，其優(yōu)先級為11。

Phy監(jiān)控線程：監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，包括網(wǎng)絡(luò)速度、工作模式等，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際連接狀態(tài)，調(diào)整phy的配置，大約每兩秒運(yùn)行一次，其優(yōu)先級為29。

tshell線程：輸出系統(tǒng)調(diào)試信息，以及接收調(diào)試命令等；其優(yōu)先級為11。

此外，還有一個系統(tǒng)提供的空閑線程，它主要用于刪除線程，清理線程，統(tǒng)計系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等，其優(yōu)先級為31。

4 電機(jī)控制算法

id=0控制也稱作恒轉(zhuǎn)矩角控制。在這種控制策略下，轉(zhuǎn)矩角一直維持在90°。該控制策略實(shí)現(xiàn)最為簡單，不管是凸極式還是隱極式永磁同步電動機(jī)，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比，電樞反應(yīng)為零，其模型和直流電機(jī)模型類似，低速控制性能可以和直流電機(jī)相媲美[3]。

id=0控制程序運(yùn)行于ADC檢測中斷中，程序運(yùn)行周期為80us，電流環(huán)執(zhí)行周期為80us，速度環(huán)執(zhí)行周期為800us，程序運(yùn)行時間為16us，可見STM32F7完全滿足算法運(yùn)行的需要，并且有足夠的能力運(yùn)行電機(jī)控制以外的串口通訊，以太網(wǎng)通訊等功能。

5 實(shí)驗(yàn)分析

本是系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺包含了以下幾個部分：

兩臺帶有2500線編碼器的PMSM電機(jī)，組成對拖電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)參數(shù)見表1。

驅(qū)動系統(tǒng)電路板，包括：電機(jī)驅(qū)動板、信號處理板、STM32F746核心板。

運(yùn)行于計算機(jī)的電機(jī)參數(shù)監(jiān)控軟件，通過以太網(wǎng)接口將計算機(jī)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)連接后，即可通過該軟件檢測、控制電機(jī)運(yùn)行。

JN-338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀，通過測量的數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的控制精度。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過電機(jī)參數(shù)監(jiān)控軟件，向電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送給定轉(zhuǎn)速，同時JN-338轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀測量得到實(shí)際轉(zhuǎn)速，將兩者的誤差分析后，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見圖3?？梢婋姍C(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速誤差小于0.018%。

6 結(jié)束語

本文采用STM32F7設(shè)計了一個電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用id=0電機(jī)控制算法，通過實(shí)驗(yàn)證明其具有良好的控制精度。此外，該電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)移植了Rt-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)，具有以太網(wǎng)通訊功能、串口通訊功能。

參考文獻(xiàn)：

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