ST Microelectronics - Motor Profiler工具如何帮助加速电机控制系统设计

今日蛋阳

本文主要就以下3点进行详细讲述：
  m& J' o5 ^# |* k( ^1）FOC方法控制电机的优点；
! w" d/ z& P7 ^6 p2）可在意法半导体的Motor Profiler工具中配置的电机运行参数；
9 s$ v# G1 q+ S; O5 ?3）如何使用Motor Profiler工具快速启动电机。
8 K( ]" u8 }0 _3 ]8 f2 u) E8 N场定向换向（FOC）也称为矢量控制，是一种控制电机的方法，于20世纪70年代初期发明，并且仍然是当今系统设计人员可用的最先进的电机控制技术。
它通过控制流入电机定子各相的交流电来工作，将它们解耦成两个正交分量，并在与转子磁通同步的参考系中旋转 - 即所谓的直轴'd'和交轴'q'。通过这种方式，它可以独立控制转矩和磁通，从而改进电机的效率和动态响应。
8 C) `6 S6 @! A' j, G1 f2 m通过适当控制这两个电流，系统可以为任何给定的输入电流产生最大转矩。它完成了另外两个目标：
实现最高效率
0 G7 i% z' }( }" P对速度控制信号产生快速响应，从而快速建立新的目标速度，或在负载有较大改变后对速度进行稳健控制
FOC的其他有利特性包括产生受控负转矩（启用主动制动）的能力，以及弱化转子的磁通量（使得能够以高于标称值的速度运行）。
意法半导体提供了丰富的资源，以帮助设计工程师实施新的电机控制系统设计。其中包括用于永磁同步电机（PMSM）的STM32 FOC软件开发套件（SDK）。然而，在任何设计开始时，首要的任务往往是实现真正的电机旋转。本技术文章介绍了意法半导体的工具Motor Profiler，它具有基于PC的GUI，可以轻松配置由FOC控制的电机。
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为什么需要配置工具？
6 P5 ?* P+ |4 B) ^% j- w9 }7 |$ Y从未使用过三相永磁电机的工程师可能会认为启动电机就像按下按钮一样简单。
9 @9 k/ M% Z, ?/ c/ t, A/ H; U实际并非如此。三相电机是同步电机，所以磁通和转子的位置和速度是相同的。这意味着，为了正确地驱动它，必须提供与转子磁通同步的激励力场。当系统中没有传感器直接测量转速和转子磁通的方向时会出现问题。当施加不正确的力场时，电机仅以所施加的频率振动，但不旋转。
0 p) z, R% r" z* ]8 A使用FOC技术，需要一个强大的转子磁通监视器或估算器算法，以实现一个能够使电机以受控速度旋转的驱动电路。值得一提的是，FOC和自感技术都是基于电机和变频器的型号。并且这些型号需要提供各种正确的参数值（包括电气和机械参数等）。此外，算法中还有一些调节器，这些调节器需要适当调谐。
在使用许多必要的配置参数设置固件后，需要进行反复的经验性测试来手动调谐这些调节器。这种方法很复杂，对于电机控制经验不足的工程师来说很难执行。为了简化这一过程，意法半导体提供了Motor Profiler工具，它是一个嵌入到电机控制算法中的自动测量系统。它估计了FOC算法所需的所有参数，并执行了所有调节器参数的自动调节。Motor Profiler使任何用户都能够在几秒钟内启动电机。该工具可以与意法半导体的各种控制板和电源板一起工作，使工程师可以根据其具体的电压和电流要求估算其选择的电机的参数。
+ c: I7 c# f' Y; w在过程结束时，该工具会显示估计值，而系统已做好启动电机的准备。
0 s2 \* V: }# [" \如何使用Motor Profiler
Motor Profiler项目从评估板的选择开始。意法半导体提供许多与工具和FOC同时兼容的电路板。其中最受欢迎的是P-NUCLEO-IHM001电机控制Nucleo工具包，它包括：
* q  |) K+ ]& V9 r) Z8 _% g( N) P& ^1、一个NUCLEO-F302R8控制板，具有基于Arm? Cortex?-M4内核的STM32F302R8微控制器。该器件工作在72MHz，提供64kB的闪存和16kB的SRAM，专门用于FOC电机控制应用。
3、一个X-NUCLEO-IHM07M1电源板，通过ST Morpho扩展连接到控制板。它是基于L6230三相电机驱动器IC的三相驱动板，用于无刷直流或永磁同步电机。它具有8V至48V的标称电源电压范围，并提供高达2.8A（或1.4Arms）的峰值输出电流。该电路板包括可由跳线配置的三分流电阻和单分流电阻电流感测网络。
3 M- p- D4 T1 {% C- L5 G除电路板外，该工具包还包括一个参考电机：一个七极对电机，其标称电压为11.1V DC，最大直流电流为5A。
STM32 PMSM FOC SDK可直接从意法半导体网站下载。用户在运行Motor Profiler工具之前需要先安装它。该工具可以与各种意法半导体电路板一起工作：用户可以从工具中的列表中选择P-NUCLEO套件。接下来，设置唯一的强制性参数：极对的数量 - 如果使用参考电机，则为7。然后选择要应用于电机的电流和电压的最大值。
* l8 R7 S, E5 M  B4 U# G5 i1 A点击Connect按钮后，Motor Profiler将与电路板建立串行通信。首次使用时，电路板将自动编程正确的Motor Profiler固件。
8 f. P! n% @& k$ X9 s该工具的操作
7 c4 ]5 v+ W" z. Y2 W4 ?Motor Profiler固件可以使用变频器和电机本身作为测量仪器进行一系列测量，不需要额外的硬件或仪器。变频器电路板的电流感测网络将测量流入电机各相的电流以及激励电机端子的PWM输出。这些特性足以执行Motor Profiler所需的所有程序。
5 E2 J) n% o% Z! Y7 gMotor Profiler最简单的测量就是相间电阻：即向电机端子施加电压，并通过电流感测网络测量电流。电阻通过欧姆定律来计算。从现在开始，Motor Profiler的操作采用增量方法：当执行测量时，该值用于执行下一次测量。例如，测量了定子相的电阻后，该值就用来测量定子相的电感。GUI中显示增量测量值和计算值。
0 V# p4 }7 Z( Z% S2 R) a电气测量之后是机械部件测量。为了测量惯性和摩擦，要通过逐步增加转矩来加速电机。如果测试是在与最终应用相同的条件下执行的，则Motor Profiler会提供最佳结果。因此，应当对电机施加与最终应用中驱动的负载相同的转矩或负载，并执行Motor Profiler程序。
3 |( {# ]" h- i2 `3 }改进电机的运行
5 A* ~6 B0 D3 k在Motor Profiler程序结束时，电机将停止。如果程序成功，系统将针对电机进行调谐。
然后用户可以点击Play按钮并再次启动电机旋转，但这次是以调谐和控制的方式。Motor Profiler包括一个可以让用户设定目标速度的滑块，和一个代表电机实际速度的条块。通过移动滑块，用户可以验证电机是否以目标速度运行。也可以设置负速度，将旋转方向从顺时针改变为逆时针。
- u% r: X! M) h4 ?3 d& X" Q& t& T如果发生故障状况，则GUI中的一组LED指示灯会发出指示。例如，如果在维持微控制器板电源的情况下关断变频器的电源，则总线欠压LED将变为红色，指示出现故障，电机将停止。故障状态结束后，电机将以最近设定的速度自动重启。通过使用Motor Profiler工具，实际电机的所有配置和控制均已完成，无需编写任何代码，甚至无需安装编译器或任何类型的开发环境。
7 V! w+ O0 X( c1 ~& q2 {4 |工程师可以将配置结果保存在电机数据库中，并在ST PMSM FOC SDK（一个用于开发电机应用的完全可定制的环境）中的ST电机控制工作平台中使用它们。
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