STM32与SVPWM的应用

2万 · 2019-7-15 12:33

在大量查阅国内外文献的基础上，本文介绍了国内外伺服控制系统的现状及发展
趋势，给出了永磁同步电机的数学模型及控制原理。详细介绍了空间矢量脉宽调制算
法((SVPWM)的原理。并且以STM32F103 VET6为控制核心，借助其丰富的内部资源、
强大的数据处理能力，设计了采用矢量控制方式的永磁同步电机控制器。硬件部分包
括了STM犯的最小系统设计、数字和模拟部分的电源设计、通信接口的设计、功率
驱动电路的设计、反馈电路的设计。软件部分介绍了软件的架构设计、主程序的功能、
中断子程序、位置/速度反馈、电流采样及相关的PID运算，实现了SVPWM算法中
任意空间电压矢量的合成、扇区的判断、各个空间基本电压矢量的作用时间计算。为
了使用方便还设计了一个基于NI Labwindows的上位机控制程序，实现了对电机转速
的控制和检测。

2万 · 2019-7-15 12:33

目前，永磁同步电机矢量控制技术已经比较完善，但由于在实现时需要完成坐标
变换、SVPWM生成算法、速度位置反馈、电流检测、PID运算等功能，所以需要大
量的数据计算和相应的硬件外设配合其工作。与现在已广泛应用的DSP芯片相比，
采用ARM Cortex-M3作为内核的STM32系列芯片继承了ARM架构芯片价格低、硬
件外设丰富、应用广泛等优势。并且ST公司针对电机应用方面对STM32进行了一
些优化，使其更加适合电机控制领域。

2万 · 2019-7-15 12:34

1) 60年代以前，在这个时期伺服电动机主要采用的是步进电机，通过液压的方
式来驱动负载，或者采用大功率步进电动机直接驱动。在控制策略上采用开环的控制
方式，可能会产生失步等问题，控制的效果并不能得到保证。
2 ) 60-70年代，在这个时期内直流伺服电机以其良好的调速性能得到了大量的应
用，其中的永磁式直流电机因其不需要励磁电流，大大简化了电机的构造，其控制电
路设计简单和良好的低速性能等特点，使其在工业控制等领域得到了大量的应用。此
阶段的控制策略发展成为闭环控制，对系统的控制效果有了进一步的提高。
3 ) 80年代至今，由于伺服电机的结构设计方法越来越先进，以及永磁材料制造
工艺的提高，现在市场上出现了无刷直流电机和永磁同步电机等各种新型的伺服电动
机。无刷直流电机采用方波驱动的驱动方式，控制方法简单，硬件精度要求不高，其
控制器成本低，但该伺服系统转矩脉动大，不适合精确控制。永磁同步电机采用正弦
波的控制方式，算法复杂，硬件需求高，控制器造价高，但转矩脉动低。并且伴随着
电子技术的不断发展，机电一体化成为新的发展方向，与电机相配套的驱动器迈向了
全数字式的发展阶段。

2万 · 2019-7-15 12:34

1)永磁材料的发展
永磁同步电机内部由于采用永磁体来代替传统电机中的励磁绕组，不需要无功励
磁电流，因而功率因数高，极大的提高了电机的性能，并且在结构上相对于普通电机
简单，设计方便。因此永磁材料制作工艺的发展很大程度上推动了永磁同步电机的发
展。尤其是在80年代出现的钱铁硼稀土材料，性能优异、价格低廉，其矫顽力、磁
能积与剩磁感应强度都较高，特别适合用于永磁同步电机的制造。

2万 · 2019-7-15 12:43

由三相永磁同步电机的数学模型可知，其绕组轴线分别为A, B和C，且彼此互
差1200空间电角度，构成了一个ABC三相坐标系。为了简化计算，可以把三相坐标
系转换为两相。考虑到电动机在运行时是一个不断旋转的系统，为了进一步简化计算
可以让坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故称为旋转坐标系[m

2万 · 2019-7-15 12:43

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永磁同步电动机是一个强藕合的复杂系统，其非线性的特点使我们在分析的时候
困难重重。如果能建立一个较为精确的数学模型则对我们的分析该系统有着巨大的帮
助，可以提高设计速度和控制的精确度。因此，一个好的永磁同步电机数学模型不仅
应该能够准确的描述永磁同步电机电机的动态特性和静态特性，而且可以尽量的简化
整个分析中的复杂度。在实际搭建永磁同步电机数学模型时，常作下列假设[f6l
1)被控制系统的三相绕组对称，其产生的磁链和感应的电动势呈正弦分布;
2)气隙均匀分布，磁回路与转子位置无关;
3)忽略铁心及各磁路的饱和现象，并忽略漏磁通的影响;

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