摘要：針對交流永磁同步電機(PMSM)的控制特點，分別從功率電路和控制方法兩方面進行了分析和設(shè)計。硬件方面采用先進的智能功率模塊IPM，極大地簡化了電路設(shè)計；軟件上應(yīng)用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32，其豐富的電機庫函數(shù)降低了研發(fā)周期。FOC+SVPWM方法進一步提高了交流伺服系統(tǒng)的性能，使其具有與直流電機一樣的調(diào)速性能。該系統(tǒng)已應(yīng)用到實際的圓網(wǎng)印花機環(huán)境中。通過實踐驗證該系統(tǒng)具有較強的魯棒性，符合工業(yè)控制的需要。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機；STM32；FOC+SVPWM

引言
近年來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材料技術(shù)的迅速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，交流永磁同步電機以其體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點在工農(nóng)業(yè)、日常生活以及許多高科技中迅速得到了廣泛的應(yīng)用。因此，研究設(shè)計高精度、高性能的永磁同步電機成為現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。
伺服驅(qū)動器按照功能特征可分為功率板和控制板兩個獨立的模塊，本文在分析交流永磁同步電機控制性能的基礎(chǔ)上分別對控制單元和功率驅(qū)動單元進行了具體的設(shè)計?？刂茊卧鳛樗欧到y(tǒng)的核心，要求有較高的性能，為此，論文采用意法半導(dǎo)體推出的STM32作為控制核心芯片。它是基于ARM先進架構(gòu)的Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器，主頻可高達72 MHz。強大的內(nèi)核及其豐富的外設(shè)使其在馬達控制應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的使用。功率驅(qū)動單元應(yīng)用了IPM(智能功率模塊)，與以往的IGBT相比較，IPM FSAM20SH60A內(nèi)部集成欠電壓、過電流和溫度檢測等保護電路，簡化了伺服系統(tǒng)單元的設(shè)計，實現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的模塊化和微型化。

1 PMSM伺服系統(tǒng)的基本構(gòu)架
PMSM控制系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖1所示，它包括主電路、伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、保護單元以及信號反饋采集單元。

伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。STM32 Cortex-M3以其價格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點成為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制核心的一種趨勢。功率驅(qū)動單元采用以智能功率模塊IPM為核心設(shè)計的驅(qū)動芯片，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能及時進行自我保護，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號經(jīng)過反饋傳輸?shù)絊TM32內(nèi)部，進行精確、快速的處理后輸出，以實現(xiàn)各個部件的實時性控制。在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計
功率驅(qū)動模塊作為伺服系統(tǒng)的強電部分包括兩個單元：一是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源，二是功率驅(qū)動單元IPM用于電機的驅(qū)動。功率版的設(shè)計中包括6個硬件保護功能，分別是單相過流(正反向電流)保護、母線過流(正反向電流)保護、剎車過流(正反向電流)保護、母線過壓保護、母線欠壓保護、溫度過高保護。每路保護都有LED報警顯示，同時為了增強可靠性，保護發(fā)生后都會分別給MCU和柵極驅(qū)動器發(fā)送關(guān)斷信號，保護功率器件IPM，防止元件的損壞，而且該信號必須要求單獨的復(fù)位信號才能取消，否則保護電路會一直起作用，防止誤操作損壞設(shè)備和影響人身安全。
2．1 TOP—Switch開關(guān)電源
由TOP—Switch系列芯片構(gòu)成的應(yīng)用電路具有最低的成本和元器件數(shù)目，AC／DC轉(zhuǎn)換效率高達90％，芯片內(nèi)部還集成了自動復(fù)位啟動和限流功能電路。為了實現(xiàn)電源系統(tǒng)的安全保護，芯片內(nèi)部還具有一個觸發(fā)式熱關(guān)斷電路，可構(gòu)成反激式、正激式、升壓式和降壓式結(jié)構(gòu)的電源電路。本文采用TOP-222芯片設(shè)計了一款反激式開關(guān)電源，輸出4路獨立+15 V電源為逆變器的上下橋臂提供控制電源，保證逆變器的穩(wěn)定工作，通過穩(wěn)壓管可轉(zhuǎn)換成電路中其他器件提供所需的工作電壓。