基于STM32F7的電機驅(qū)動系統(tǒng)設計

1、    基于stm32f7的電機驅(qū)動系統(tǒng)設計    何龍摘 要：文章采用基于cortex-m7內(nèi)核的stm32f7，設計了一套電機驅(qū)動系統(tǒng)，其具有串口通訊、以太網(wǎng)通訊、永磁同步電機驅(qū)動等功能。在軟件設計上，通過移植rt-thread實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了多線程處理，同時合理地分配了中斷資源，保證電機驅(qū)動算法能夠得到及時運行。實現(xiàn)了id=0電機控制算法，并通過實驗驗證了其具有良好的控制精度。關(guān)鍵詞：電機驅(qū)動；stm32；rt-thread：tp273 文獻標志碼：a ：2095-2945（2018）05-0095-02abstract： based on s

2、tm32f7 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

3、， 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

4、機控制pwm接口等，因此使得電機控制系統(tǒng)硬件設計靈活、簡易、集成度高，而且dsp尤其擅長高速運算，所以它們在電機控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。盡管dsp在電機控制市場表現(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，越來越廣泛地進入電機控制領(lǐng)域。stm32f7工作頻率高達200mhz，采用6級超標量流水線和浮點單元，測試分數(shù)高達1000coremarks。本文采用基于cortex-m7內(nèi)核的stm32f7，設計了電機驅(qū)動系統(tǒng)。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機驅(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

5、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，從而實現(xiàn)電機驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制。電機驅(qū)動系統(tǒng)在驅(qū)動電機轉(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；同時uart接口傳輸控制臺信息，控制系統(tǒng)運行。2 系統(tǒng)硬件設計系統(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

6、電路采用stm32f746ng為核心控制單元，并且擴展以太網(wǎng)芯片rtl8208。3 系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)的軟件基于rt-thread實時操作系統(tǒng)。rt-thread 是一款由中國開源社區(qū)主導開發(fā)的開源嵌入式實時操作系統(tǒng)，它包含實時嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的各個組件：實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，tcp/ip協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、libc接口、圖形引擎等2。軟件劃分為電機控制線程、以太網(wǎng)接收線程，以太網(wǎng)發(fā)送線程、http服務線程、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的實時調(diào)度內(nèi)核，實現(xiàn)各個線程的調(diào)度。電機控制線程：解析接收到的控制命令，切換電機

7、的工作狀態(tài)；根據(jù)電機運行狀態(tài)切換電機工作狀態(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服務線程：將采集到的電流、電壓、電機轉(zhuǎn)速等信息傳給上位機，并且接收上位機對電機的控制命令，其優(yōu)先級為11。phy監(jiān)控線程：監(jiān)控網(wǎng)絡連接狀態(tài)，包括網(wǎng)絡速度、工作模式等，根據(jù)網(wǎng)絡的實際連接狀態(tài)，調(diào)整phy的配置，大約每兩秒運行一次，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，

8、統(tǒng)計系統(tǒng)運行狀態(tài)等，其優(yōu)先級為31。4 電機控制算法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°。該控制策略實現(xiàn)最為簡單，不管是凸極式還是隱極式永磁同步電動機，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比，電樞反應為零，其模型和直流電機模型類似，低速控制性能可以和直流電機相媲美3。id=0控制程序運行于adc檢測中斷中，程序運行周期為80us，電流環(huán)執(zhí)行周期為80us，速度環(huán)執(zhí)行周期為800us，程序運行時間為16us，可見stm32f7完全滿足算法運行的需要，并且有足夠的能力運行電機控制以外的串口通訊，以太網(wǎng)通訊等功能。5 實驗分析本是系統(tǒng)的實驗平臺包含了以下幾個部分

9、：兩臺帶有2500線編碼器的pmsm電機，組成對拖電機系統(tǒng)，電機參數(shù)見表1。驅(qū)動系統(tǒng)電路板，包括：電機驅(qū)動板、信號處理板、stm32f746核心板。運行于計算機的電機參數(shù)監(jiān)控軟件，通過以太網(wǎng)接口將計算機和電機驅(qū)動系統(tǒng)連接后，即可通過該軟件檢測、控制電機運行。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。實驗過程中，通過電機參數(shù)監(jiān)控軟件，向電機驅(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際轉(zhuǎn)速，將兩者的誤差分析后，得到實驗結(jié)果，見圖3?？梢婋姍C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設計了一個電機驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用id=0電機控制

10、算法，通過實驗證明其具有良好的控制精度。此外，該電機驅(qū)動系統(tǒng)移植了rt-thread實時操作系統(tǒng)，具有以太網(wǎng)通訊功能、串口通訊功能。參考文獻：1牛盼情，康翔宇，何頂新.基于zynq的pmsm驅(qū)動控制系統(tǒng)設計j.單片機與嵌入式系統(tǒng)，2015.（5）：65-68.2汪虎強，陳建政.三相電機電流檢測系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)j.無線互聯(lián)科技，2016，2（3）：63-65.3劉紅偉.永磁同步電機控制策略及算法融合研究c.中國科學院光電技術(shù)研究所，2014.4勾占鋒.一種微型步進電機的驅(qū)動設計j.科技創(chuàng)新與應用，2012（24）：8-9.5王智杰，蔡燕，姜文濤.三相12/8極開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)建模與仿真j.科技創(chuàng)新與應用，2017（05）：11.6王麗平，陳光偉.基于s7-200plc的伺服電機位置控制系統(tǒng)j.科技創(chuàng)新與應用，2016（07）：6