意法半导体对外公开的最新版PMSM电机控制培训资料
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• Encoder
• 成本较高，一般适用于伺服控制
12
• Hall
• 成本较低，一般适用于马达静止或低速下也要求额定扭矩的应用
• Sensorless
• 高频注入算法 – HFI
• 适用于凸极马达（IPMSM，Ld<Lq） • 能实现马达转子位置的精确检测，即使在 静止或低速下 • 仅STM32F3和STM32F4系列支持
Speed Control
vabc
Space Vector PWM
Current Control
i q*
MTPA & FLUX WEAKENING CONTROLLER
+
PID
-
vqs vds
vαβ
REVERSE PARK + circle limitation
i d*
+
θr el
PID
-
Te*
PID
iqd
PARK
iαβ
θr el
ROTOR SPEED/POSITION FEEDBACK
ωr*,t
-
RAMP GENERATOR
wr*
+
iabc
CLARKE
PHASE CURRENTS FEEDBACK
STM32 PMSM FOC SDK v3.2
29/10/2014
Dual PMSM FOC – 框图
HFI Max FOC * F3~30kz F4~50kz Max FOC Dual * F3~27kz F4~45kz
Sensorless
STO+CORDIC
ICS FreeRTOS F103,F2xx Max FOC* ~23 kHz
Encoder
Hall
*：在sensorless模式下
STM32 FOC 性能指标
• 2个马达 × 3种转子位置检测方式 × 3种相电流的采样方式
算法集及MCU 支持
ST MC FOC SDK V4.0
14
STM32F3xx F4xx STM32F103x HD/XL F2x STM32F103x LD/MD STM32F100x,STM32F0xx
1shunt Flux Weakening IPMSM MTPA Feed Forward Sensorless
更多关于STM32 PMSM FOC SDK的信息
• SDK V4.0软件包：请向ST MCU 市场工程师申请 • 帮助文档：在SDK V4.0的安装目录中
• UM1052：STM32F PMSM single/dual FOC SDK v4.0 • UM1053：Advanced developers guide for STM32F MCUs PMSM single/dual FOC library • UM1080：Quick start guide for STM32F PMSM single/dual FOC SDK V4.0
User Interface: • Serial communication with PC • SWD debug/program • SPI interface for DAC • Speed reference input/motor speed output • LED: indicates the fault status
• ST专利的算法 • 仅需要1个电阻/运放：成本较低 • 电流采样算法可能会带来力矩纹波
13
• 3-SHUNT：采样电阻放在3个下桥臂上
• 电流采样精度高 • 不会有电流纹波产生
• ICS：2个隔离的电流传感器
• 放在A/B相绕组上 • 适用于相电流较大的场合：无功耗 • 成本较高
• 转子位置检测与相电流采样方式可任意组合：
• State Observer + PLL
• 基于马达的BEMF，使用相电流及相电压估计 马达转子的位置 • 适用于马达的转速范围：额定转速的5% - 100%
• State Observer + CORDIC
FOC SDKV4.0的配置 2/2
• 相电流采样支持：
• 1-SHUNT：采样电阻放在DC BUS上
27
• ST马达控制论坛： https:///public/STe2ecommunities/ motordriver_ics/default.aspx
STM32 PMSM FOC SDK V4.0 新特性
新特性
• 新的架构 • Workspaces and projects(IAR EWARM/KEIL) • 若干个软件库使用例程 • MC Applications(State machine, Tasks) • Light/Full LCD 界面 • 快速单向/双向串口通讯 • Workbench 新特性(无传感器起动,例子,帮助文档关联,PFC) • 高频注入无传感器算法
4
整合：软件库 + 产品(MCU、功率器件等) + 应用
高端应用， 高端应用，单/双马达控制
FOC:高动态性能 高频注入法(HFI)无传感器算法 低CPU负荷，大部分时间用于应 用软件上 • 同时控制2个马达 FOC MC FW lib 中/低端应用 要求： • FOC矢量控制对马达进行高效控 制 • 降低马达的噪音：正弦波电流 • 硬件成本优化：1-shunt电流采 样，无传感器算法 • • •
vα = vqs cos θ r + vds sin θ r vβ = −vqs sin θ r + vds cos θ r
FOC的优点
• 由于电流的相位始终与转子位置同步，大大提高了马达的效率，即使 在动态瞬间也能如此 • 由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，其速度控制能快速 地响应马达的负载变化 • 由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，可精确地控制马达 的转子位置 • 由于相电流为正弦波，可降低马达的运行噪音
STM32 PMSM FOC SDK V4.0 Motor Control training Day1
蒋建国 MCU Application
Agenda
• STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述 • 工具：IDE，GUI，demo 板 • SDK V4.0：使用体验 • HFI(High Frequency Injection): 理论概述 • HFI：软件参数调整及马达调试
• 必须读取定子的电流（1-shunt/3-shunt/ICS） • 必须读取转子的位置及速度（Encoder/Hall/Sensorless算法） • 电流的实时控制（PI/D）：
• 不容易控制：高频正弦参考值、幅值的调制及与转子磁链的耦合 • 通过参考坐标系的转换来简化耦合问题
7
Φs
90 90 elel
• 安装在转子表面：SM-PMSM • 内嵌在转子中：I-PMSM
6
• 定子中的激励信号的相位/频率必须与转子的位置 与速度同步 • 转动的转子会在定子绕组中感应出正弦的 反电动势电压 • 以正弦的电流驱动马达会得到最好的性能 （无力矩纹波）
PMSM FOC 简介
• Field Oriented Control: 定子电流的幅值和相位相对于转子的磁链独立 控制，因此：
18
Workspaces & Projects
• 共13个Workspace对应不同的MCU系列、IDE及时基
19
马达控制评估板
STM32Fxx MC KIT
21
控制信号连接器
• 特点：
• PMSM FOC 控制 • Sensor/Sensorless
• • • Hall Encoder Sensorless
2
STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述
STM32 PMSM FOC SDK V4.0
• SDK V4.0软件包包含：PMSM FOC 固件库和ST MC Workbench(GUI)， 允许用户使用STM32进行单或双PMSM马达的FOC的驱动，其支持 STM32F0xx, STM32F1xx, STM32F2xx, STM32F3xx及STM32F4xx
Φr
Te maximized if…
t
STM32 PMSM FOC SDK v3.2 29/10/2014
PMSM FOC 简介:坐标系转换
• clarke 变换: ia,ib,ic (120º) 转换为 iα,iβ(90º); (假设ia+ib+ic=0)，交流->交流：
iα = ias iβ = − ias + 2ibs 3
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
Power bridge2
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
STM32 PMSM FOC SDK v3.2 29/10/2014
FOC SDKV4.0的配置 1/2
• 速度及位置检测支持：
Gate drivers
11
Power bridge1
Motor1
va,b,c
BKIN
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
ωr*1 ωr*2
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
BKIN
Motor2
va,b,c
Gate drivers
25
BKIN
Fan
va,b,c
Gate drivers
Current sensors: 1shunt / 3-shunt
Sensorless
Power bridge
STM32F0xx风扇demo板 2/2
• 同时支持1-shunt/3-shunt
26
• 相电流波形
• 速度：600rpm • 功率：38W
9
PMSM FOC – 框图
Gate drivers
10
Power Bridge IPM/Discrete
Motor
va,b,c
BKIN
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
DC V – TEMP
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
15
工具：GUI， IDE ，demo 板
工具：ST MC Workbench 1/2
• STMCWB PC软件通过图形界面产生软件库的参数头文件，方便用户 对软件库的配置及马达的调试
1 2 3 4
17
工具：ST MC Workbench 2/2
• 实时串口通讯
• 与PC实时通讯，实现马达的启动/停止，或速度的加减速 • 调试和监控软件参数 • 实时画出马达的参考及实际速度曲线
STO+PLL
Debug Tuning GUI support USART Add-On Max FOC * F100 ~11 kHz F0xx ~12 kHz
3shunt
Dual Motor Control Max FOC * F103~23kz F2xx~40kz Max FOC Dual * F103~20kH F2xx~36kH
8
• Park变换：iα,iβ 转换为id,iq (90º)，交流->直流：
iqs = iα cosθ r − iβ sin θ r ids = ia sin θ r + iβ cosθ r
• 反Park变换：Vq,Vd 转换为Vα , Vβ: 由于Vq,Vd 为直流信号，因此PID算法可直接 运用于此类信号的控制
STM32F4xx 180MHZ,Cortex-M4 STM32F2xx 120MHZ,Cortex-M3 STM32F3xx 72MHZ,Cortex-M4
5
Industrial motor drives
Fitness, wellness and healthcare
STM32F103 72MHZ,Cortex-M3 STM32F0xx 48MHZ,Cortex-M0 STM32F100 24MHZ,Cortex-M3
• 电流采样
• • 1-SHUNT 3-SHUNT
• 更换EVB可支持不同的MCU
EVB
• 更换EVB可支持不同的MCU
22
பைடு நூலகம்
功率板
• 更换功率板可支持不同的功率
23
单板demo板
• 控制及功率部分集成在一块demo板上
24
STM32F0xx风扇demo板 1/2
• 拓扑结构 ωr*
STM32F0xx
Games
Home appliances
Fan
低端应用
• • Scalar control 成本敏感应用
MC FW lib
STM8S 24MHZ,ST core
PMSM马达
• Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)
• 定子的结构与AC感应马达类似 • 转子上安装永磁体
• 成本较高，一般适用于伺服控制
12
• Hall
• 成本较低，一般适用于马达静止或低速下也要求额定扭矩的应用
• Sensorless
• 高频注入算法 – HFI
• 适用于凸极马达（IPMSM，Ld<Lq） • 能实现马达转子位置的精确检测，即使在 静止或低速下 • 仅STM32F3和STM32F4系列支持
Speed Control
vabc
Space Vector PWM
Current Control
i q*
MTPA & FLUX WEAKENING CONTROLLER
+
PID
-
vqs vds
vαβ
REVERSE PARK + circle limitation
i d*
+
θr el
PID
-
Te*
PID
iqd
PARK
iαβ
θr el
ROTOR SPEED/POSITION FEEDBACK
ωr*,t
-
RAMP GENERATOR
wr*
+
iabc
CLARKE
PHASE CURRENTS FEEDBACK
STM32 PMSM FOC SDK v3.2
29/10/2014
Dual PMSM FOC – 框图
HFI Max FOC * F3~30kz F4~50kz Max FOC Dual * F3~27kz F4~45kz
Sensorless
STO+CORDIC
ICS FreeRTOS F103,F2xx Max FOC* ~23 kHz
Encoder
Hall
*：在sensorless模式下
STM32 FOC 性能指标
• 2个马达 × 3种转子位置检测方式 × 3种相电流的采样方式
算法集及MCU 支持
ST MC FOC SDK V4.0
14
STM32F3xx F4xx STM32F103x HD/XL F2x STM32F103x LD/MD STM32F100x,STM32F0xx
1shunt Flux Weakening IPMSM MTPA Feed Forward Sensorless
更多关于STM32 PMSM FOC SDK的信息
• SDK V4.0软件包：请向ST MCU 市场工程师申请 • 帮助文档：在SDK V4.0的安装目录中
• UM1052：STM32F PMSM single/dual FOC SDK v4.0 • UM1053：Advanced developers guide for STM32F MCUs PMSM single/dual FOC library • UM1080：Quick start guide for STM32F PMSM single/dual FOC SDK V4.0
User Interface: • Serial communication with PC • SWD debug/program • SPI interface for DAC • Speed reference input/motor speed output • LED: indicates the fault status
• ST专利的算法 • 仅需要1个电阻/运放：成本较低 • 电流采样算法可能会带来力矩纹波
13
• 3-SHUNT：采样电阻放在3个下桥臂上
• 电流采样精度高 • 不会有电流纹波产生
• ICS：2个隔离的电流传感器
• 放在A/B相绕组上 • 适用于相电流较大的场合：无功耗 • 成本较高
• 转子位置检测与相电流采样方式可任意组合：
• State Observer + PLL
• 基于马达的BEMF，使用相电流及相电压估计 马达转子的位置 • 适用于马达的转速范围：额定转速的5% - 100%
• State Observer + CORDIC
FOC SDKV4.0的配置 2/2
• 相电流采样支持：
• 1-SHUNT：采样电阻放在DC BUS上
27
• ST马达控制论坛： https:///public/STe2ecommunities/ motordriver_ics/default.aspx
STM32 PMSM FOC SDK V4.0 新特性
新特性
• 新的架构 • Workspaces and projects(IAR EWARM/KEIL) • 若干个软件库使用例程 • MC Applications(State machine, Tasks) • Light/Full LCD 界面 • 快速单向/双向串口通讯 • Workbench 新特性(无传感器起动,例子,帮助文档关联,PFC) • 高频注入无传感器算法
4
整合：软件库 + 产品(MCU、功率器件等) + 应用
高端应用， 高端应用，单/双马达控制
FOC:高动态性能 高频注入法(HFI)无传感器算法 低CPU负荷，大部分时间用于应 用软件上 • 同时控制2个马达 FOC MC FW lib 中/低端应用 要求： • FOC矢量控制对马达进行高效控 制 • 降低马达的噪音：正弦波电流 • 硬件成本优化：1-shunt电流采 样，无传感器算法 • • •
vα = vqs cos θ r + vds sin θ r vβ = −vqs sin θ r + vds cos θ r
FOC的优点
• 由于电流的相位始终与转子位置同步，大大提高了马达的效率，即使 在动态瞬间也能如此 • 由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，其速度控制能快速 地响应马达的负载变化 • 由于电流的励磁和力矩在解耦后可分别直接控制，可精确地控制马达 的转子位置 • 由于相电流为正弦波，可降低马达的运行噪音
STM32 PMSM FOC SDK V4.0 Motor Control training Day1
蒋建国 MCU Application
Agenda
• STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述 • 工具：IDE，GUI，demo 板 • SDK V4.0：使用体验 • HFI(High Frequency Injection): 理论概述 • HFI：软件参数调整及马达调试
• 必须读取定子的电流（1-shunt/3-shunt/ICS） • 必须读取转子的位置及速度（Encoder/Hall/Sensorless算法） • 电流的实时控制（PI/D）：
• 不容易控制：高频正弦参考值、幅值的调制及与转子磁链的耦合 • 通过参考坐标系的转换来简化耦合问题
7
Φs
90 90 elel
• 安装在转子表面：SM-PMSM • 内嵌在转子中：I-PMSM
6
• 定子中的激励信号的相位/频率必须与转子的位置 与速度同步 • 转动的转子会在定子绕组中感应出正弦的 反电动势电压 • 以正弦的电流驱动马达会得到最好的性能 （无力矩纹波）
PMSM FOC 简介
• Field Oriented Control: 定子电流的幅值和相位相对于转子的磁链独立 控制，因此：
18
Workspaces & Projects
• 共13个Workspace对应不同的MCU系列、IDE及时基
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马达控制评估板
STM32Fxx MC KIT
21
控制信号连接器
• 特点：
• PMSM FOC 控制 • Sensor/Sensorless
• • • Hall Encoder Sensorless
2
STM32 PMSM FOC SDK V4.0概述
STM32 PMSM FOC SDK V4.0
• SDK V4.0软件包包含：PMSM FOC 固件库和ST MC Workbench(GUI)， 允许用户使用STM32进行单或双PMSM马达的FOC的驱动，其支持 STM32F0xx, STM32F1xx, STM32F2xx, STM32F3xx及STM32F4xx
Φr
Te maximized if…
t
STM32 PMSM FOC SDK v3.2 29/10/2014
PMSM FOC 简介:坐标系转换
• clarke 变换: ia,ib,ic (120º) 转换为 iα,iβ(90º); (假设ia+ib+ic=0)，交流->交流：
iα = ias iβ = − ias + 2ibs 3
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
Power bridge2
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
STM32 PMSM FOC SDK v3.2 29/10/2014
FOC SDKV4.0的配置 1/2
• 速度及位置检测支持：
Gate drivers
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Power bridge1
Motor1
va,b,c
BKIN
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
ωr*1 ωr*2
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
BKIN
Motor2
va,b,c
Gate drivers
25
BKIN
Fan
va,b,c
Gate drivers
Current sensors: 1shunt / 3-shunt
Sensorless
Power bridge
STM32F0xx风扇demo板 2/2
• 同时支持1-shunt/3-shunt
26
• 相电流波形
• 速度：600rpm • 功率：38W
9
PMSM FOC – 框图
Gate drivers
10
Power Bridge IPM/Discrete
Motor
va,b,c
BKIN
Current sensors: 3shunt/1shunt/ICS
DC V – TEMP
Speed sensors: Sensorless, Hall, Encoder
15
工具：GUI， IDE ，demo 板
工具：ST MC Workbench 1/2
• STMCWB PC软件通过图形界面产生软件库的参数头文件，方便用户 对软件库的配置及马达的调试
1 2 3 4
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工具：ST MC Workbench 2/2
• 实时串口通讯
• 与PC实时通讯，实现马达的启动/停止，或速度的加减速 • 调试和监控软件参数 • 实时画出马达的参考及实际速度曲线
STO+PLL
Debug Tuning GUI support USART Add-On Max FOC * F100 ~11 kHz F0xx ~12 kHz
3shunt
Dual Motor Control Max FOC * F103~23kz F2xx~40kz Max FOC Dual * F103~20kH F2xx~36kH
8
• Park变换：iα,iβ 转换为id,iq (90º)，交流->直流：
iqs = iα cosθ r − iβ sin θ r ids = ia sin θ r + iβ cosθ r
• 反Park变换：Vq,Vd 转换为Vα , Vβ: 由于Vq,Vd 为直流信号，因此PID算法可直接 运用于此类信号的控制
STM32F4xx 180MHZ,Cortex-M4 STM32F2xx 120MHZ,Cortex-M3 STM32F3xx 72MHZ,Cortex-M4
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Industrial motor drives
Fitness, wellness and healthcare
STM32F103 72MHZ,Cortex-M3 STM32F0xx 48MHZ,Cortex-M0 STM32F100 24MHZ,Cortex-M3
• 电流采样
• • 1-SHUNT 3-SHUNT
• 更换EVB可支持不同的MCU
EVB
• 更换EVB可支持不同的MCU
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பைடு நூலகம்
功率板
• 更换功率板可支持不同的功率
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单板demo板
• 控制及功率部分集成在一块demo板上
24
STM32F0xx风扇demo板 1/2
• 拓扑结构 ωr*
STM32F0xx
Games
Home appliances
Fan
低端应用
• • Scalar control 成本敏感应用
MC FW lib
STM8S 24MHZ,ST core
PMSM马达
• Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)
• 定子的结构与AC感应马达类似 • 转子上安装永磁体