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1 1 ST 三相电机控制解决方案及其 应用 Frank Cai Application Engineer Motion Control Systems Engineering Center GC&SA Region IPD - Strategic Program and Business Development

2 STM32 电机控制软件开发工具包 V4.2 总览 Firmware- 固件库 Motor profiler- 电机分析器 Workbench-PC GUI 工具 日程安排 2 应用实例 云台 3D 打印机 电动自行车 空调 / 冰箱 工具 电机控制工具箱 X-NUCLEO 扩展板 SLLIMM Cards

3 ST 电机控制生态系统三相 PMSM 控制软件开发工具 3 即插即用的 ST 电机控制解决方案 电机控制微控制器 (8-32 位 ) 智能功率模组 功率管 电机驱动芯片 电源管理芯片 传感器 Gate Driver Diodes AC-Switches ST MC Workbench 电机及调试参数的 PC 图形化工具, 实时在线调试 各种专用算法 (FOC 矢量控制 6 步标量控制 ) 硬件工具 技术支持 ( 全球 )

4 超过 13 年三相电机控制研发经验 4 ST 自 2002 年起专注三相电机控制领域 ACIM 和 PMSM 电机标量控制 ACIM 和 PMSM 电机矢量控制 电机控制开发板 公司网站开设电机控制专题频道 STR STM32 MC kit First sensorless FOC library based on a Cortex-M PMSM FOC SDK v3.0 - Dual FOC - High End FOC - Low-End FOC 2013 PMSM FOC SDK 3.4 -STM32F3 embedded analog / dual FOC HW accelerator 2014 PMSM FOC SDK 4.0 高频注入 ( 专利算法 ) 高频注入 ( 专利算法 ) 2015 PMSM FOC SDK Motor Profiler 电机分析器 - 一键调试 - 顺 逆风启动 2002 ST ST7MC FW library 2009 STM8 S MC Kit 2015 STM 32F 6 步电机控制库

5 STM32 PMSM FOC SDK v4.2 5 STSW-STM32100 包括电机控制库和可视化 PC 配置调试工具, 在使用矢量控制驱动单或双 3 相永磁同步电机应用中, 让用户快速评估 ST 的产品, 可以使用系列 MCU:STM32F3xx, STM32F4xx, STM32F0xx, STM32F1xx, STM32F2xx

6 MCU 支持的特性 6 ST MC FOC SDK v4.2 STM32F4xx, STM32F3xx STM32F103x HD/XL, STM32F2xx STM32F103x LD/MD New STM32F100x, STM32F0xx 单电阻 弱磁 每安培最大扭矩 (IMPSM) 3 电阻 前馈 无感 Sensor-less (STO + PLL) (STO + CORDIC) 顺风 / 逆风启动 编码器霍尔传感器 Debug & Tuning ST MC Workbench 支持 串口通信 最大 FOC 频率 F100 ~11kHz F0xx ~12kHz New FreeRTOS F103, F2xx 电流传感器 (2) 最大 FOC (3) ~23kHz 双 FOC 最大 FOC (3) F103 ~23kHz F2xx ~40kHz 最大双 FOC (3) F103 ~20kHz F2xx ~36kHz 高频注入 (1) Max FOC (3) F3xx ~ 30kHz F4xx ~50kHz Max Dual FOC (3) F3xx ~27kHz F4xx~45kHz 数字 PFC (1) High Frequency Injection (2) Current sensor (3) Max FOC estimated in sensor-less mode 按需提供插件

7 不同的 STM32 FOC 的性能列表 7 STM32F Single motor Dual motor STM32F Configuration Code size PWM / 10kHz FOC RAM usage (Kb) CPU load (%) Configuration Code size (Kb RAM usage (Kb) CPU load (%) STM32F100 STM32F05x STM32F103x STM32F2x STM32F30x STM32F4x 1shunt/ sensorless 1shunt/ sensorless 3shunt/ sensorless 3shunt/ sensorless 3shunt/ sensorless 3shunt/ sensorless NA NA NA NA NA NA NA NA (*) Motor 1&2 3 shunt/ sensorless Motor 1&2 3 shunt/ sensorless Motor 1&2 3 shunt/ sensorless Motor 1&2 3 shunt/ sensorless (*) +8% 如果使用高频注入 HFI

8 FOC 单电机低成本应用 8 目标应用 : 适合如下应用场合 : STM32F100x STM32F0xx 对控制的动态性能要求不高 对噪音有要求 ( 对比 6 步驱动 ) 对速度控制范围要求比较宽 尤其适合如水泵, 风机和压缩机 Current Current 洗碗机喷水泵 洗衣机排水泵 冰箱压缩机

9 FOC 高性能的单 / 双电机应用 9 目标应用 : 从家电到机器人等广泛的应用场合 : 需要精确和快速的速度及扭矩控制 ( 如 : 扭矩负载的突变或速度的扰动等 ) CPU 负载要低, 以便留给其他应用 Fitness, wellness and healthcare Games Industrial motor drives And much much more Home appliances Power tools Escalators and elevators

10 FOC 矢量控制的优点 10 最节能的方式, 归功于最佳的电流角度. 对于负载的变化具备快速的速度控制响应, 归功于直接的转矩电流控制和励磁电流控制 ; 精准的位置控制, 归功于直接的转矩电流控制和励磁电流控制 ; 噪音的减少归功于正弦波驱动 / 最佳的控制

11 可选的配置 1/2 11 速度 / 位置反馈是必要的 支持的速度 / 位置传感器 : 正交编码器 器件昂贵, 通常应用在工业领域, 如机器人等 霍尔传感器 便宜的传感器, 通常应用在低速大扭距的场合 无传感器 高频注入 (ST 专利 ): 内嵌式永磁同步电机 (IPMSM, Ld<Lq) 精确的转子角度探测 ; 它给矢量控制带来优势 : 在低速甚至是 0 速时. 仅 STM32F3 和 STM32F4 支持 状态观测器 + 锁相环 使用电气工程量 ( 主要是电流反馈 ) 估计转子位置 应用于很多场合, 但不适合 0 速满扭矩和低速运行 (< 3-5% 额定转速 ) 状态观测器 + 坐标旋转数字计算 高频注入

12 电流反馈是必要的 可选的配置 2/ 种电流采样硬件拓扑架构 : 单电阻 : ST 专利算法 只需要一个采样电阻和运放成本最低 电流采样算法可能导致扭矩控制精确度不高 3 电阻 : 电流采样比较精确 最佳的成本 / 性能组合 2 隔离电流传感器 (ICS) 不需要损耗电流的采样方式当电流比较大时 ( 几十安培或更大 ) 采用的方式 昂贵 电机库支持任意的电流采样组合 (2 电机 x 3 种电流采样 x 3 种速度采样类型 )

13 Motor Profiler( 电机分析器 ) 13 自动测量永磁同步电机的机电参数的新算法 测量永磁同步电机的电子参数 : Rs, Ls, Ke 测量永磁同步电机的机械参数 : J, F 转动中配置电流 速度调节参数和 Sensorless 算法参数 数秒内运行任意电机 不需要增加额外的硬件和设备 Electrical motor parameters Mechanical motor parameters New algorithm Current regulators tuning Sensorless tuning

14 Motor Profiler( 电机分析器 ) + One Touch Tuning( 一键调试 ) 秒内即插即转电机 Rs 测量 Ls 测量 电流环参数设置 Motor stopped 10 sec Ke 测量 状态观测器参数设置 切换到闭环 Open loop 5 sec 摩擦系数测量 转动惯量测量 速度环参数设置 Closed loop 45 sec

15 ST MC Workbench PC GUI for MC FW v 使用 workbench 和硬件建立实时通讯, 向电机发送启动 停止及改变速度等命令. 通过高级调试功能进行排错或调试电机控制变量 ( 如 PI 参数 ). 绘出重要电机控制变量 ( 虚拟示波器 ) 像目标转速或测量到的实际转速 步完成配置电机库参数.h.h +.lib =.exe 产生头文件 编译 下载 运行电机

16 云台控制 (3 轴 ) 方案 STM32F4 / F7 MCU 用于无人机或手持设备 STM32F303 MCU STM32F301 MCU Sensor or Sensorless Motor3 Motor1 Motor2 Sensor or Sensorless 高集成 高性能 高效率, 引领运动控制 支持 Sensor 或 sensor-less 矢量控制算法 : 低噪音 在快速移动和稳定性之间找到平衡 主要特性 STM32F3 系列 Cortex -M4 内核, 浮点运算, 最高 72 兆主频 L6230 电机驱动器 : 集成驱动 功率管 过流保护 L6230 智能驱动上下桥互补输出, 减少连接 MCU 的 PIN 数 缩小 PCB 尺寸

17 3D 打印机 17 电机驱动 挤压机和加热床 开源固件 全套接口选项 3D Printer DEMO mechanics, courtesy of

18 3D 打印机 18 步进电机控制 : 先进的电流控制 -- 低噪声和高精度 集成电流检测 -- 可不需要采样电阻 全套保护和高级诊断 -- 增强了可靠性 挤压机 (STL8N10F7): STripFET VII MOSFET,17 mω Rds(ON) 小型化的 3x3 mm PowerFLAT 封装 负载 8 A 时,Pd = 1 W! 加热床或热室 (STL220N3LLH7) STripFET VII MOSFET,<1 mω Rds(ON) 5x6 mm PowerFLAT 封装 负载 20 A 时,Pd = 0.4 W! 得益于 ST Marlin 固件, 支持直接打印 : 使代码适合不同的机械结构 -- 所有特性都可通过.h 文件中的定义轻松配置 STM32Cube 软件库 -- 可在不同的 STM32 器件移植, 包括一套中间件 基于最著名的开源固件 --Marlin 固件由广泛 活跃的制造者社区支持 SPWF01SA WiFi 模块 集成的 TCP/IP 协议栈 小型封装 嵌入式天线 USB 连接支持不同的模式 电子狗 虚拟 COM 大容量存储

19 E-BIKE 方案 18 硬件配置 STM32F30x + L STH15810 矢量控制 Sensor-less: HFI( 高频注入 ) Sensor: HALL or ENCODER 高频注入运行在零及低转速 更高的效能 更快的响应速度 提速快 续航久 骑乘更舒适 主要特性 F3 内建运放和比较器, 减少 PCB 尺寸及提高保护响应性能 高频注入算法 : 1. 得到零速及低速的位置信息, 比霍尔信号更精确 2. 高频注入算法取代传感器, 降低产品成本 提高产品寿命 STH15810: 1. 低导通内阻 开关速度快 2. 抗雪崩能力强 高工作结温 (175 )

20 ST 第二代空调参考设计 匹家用空调室外机整体解决方案 包括 : 压缩机和风扇电机控制 数字 PFC 所有芯片均基于意法半导体的最新技术 : STM32F303 第二代 SLLIMM IGBT TFS V, HB V A/C 系列二极管 AC 开关 VIPER26

21 ST 第二代空调参考设计微控制器 64 引脚和 + 2 个智能功率模块的功能 21 功能数字 I/O 模拟 I/O 小计 压缩机 风扇 PFC 和 ICL 限流器 微控制器实现的过流保护和温度检测 智能功率模块实现的过流保护和过热保护 微控制器实现的过流保护和过压保护 USART 收发器 2 2 SWD 调试 2 2 I2C EEPROM 2 2 基于步进电机的阀门控制 4 4 其他模拟功能 6 6 其他数字功能 4 4 MCU 功能 11 Vdd, Vss, Boot, Vdda, Vssa, NRST 总计 64

22 ST 冰箱参考设计 22 三个不同的 250W 冰箱整体解决方案 所有芯片均基于 ST 的最新技术 高性能性能均衡最低成本 STM32F301C6 STGIPQ5C60T-HL VIPER16 + L78L33AC 3 个 Shunt 电阻 TSV912 STM32F030K6 STGIPQ5C60T-HL VIPER16 + L78L33AC 1 个 Shunt 电阻 STM32F030K6 2x L6388( 或 2xL6398) 1x L6390 6x STGB6NC60HD ( 或 STGD5H60DF) VIPER16 + L78L33AC 1 个 Shunt 电阻

23 ST 评估板根据不同的需求,4 条途径 23 Flexible Motor Control Platform Complete MC drives STM32 Open Development Environmnent based on ST MC connector Control stages Power stages MC SDK (FW library, GUI, collateral materials)

24 New Motor Control Nucleo Pack(P-NUCLEO-IHM001) 低压电机控制套件 (PMSM/BLDC) 24 NUCLEO-F302 P-NUCLEO-IHM001 All in one blister X-NUCLEO-IHM07M1* LV BLDC Motor 快速 & 安全的原型设计 低成本 ( 每个人都买得起 ) Main features 3 相电机控制应用 (up to 50V,1.4 A) 6 步调制 兼容 STM32CubeMx 矢量控制 ST PMSM FOC SDK (STSW- STM32100) *Expansion Nucleo Board with STSPIN L6230

25 STM32 Nucleo Expansion 电机控制 25 P/N Description Availability Remark Published and Unpublished X-Nucleo-IHM01A1 Motor Control Easy Spin 量产 L6474, Stepper motor driver X-Nucleo-IHM02A1 Motor Control Power Stepper 量产 L6470, Stepper motor driver X-Nucleo-IHM03A1 Motor Control Power Stepper 量产 PowerStep01 stepper motor driver X-Nucleo-IHM04A1 Motor Control Brush DC 量产 L6206, Stepper motor driver X-Nucleo-IHM05A1 Motor Control Power Spin 量产 L6208, Stepper motor driver X-Nucleo-IHM06A1 Motor Control Power Stepper 研发中 STSPIN220 X-Nucleo-IHM07M1 Motor Control Power expansion board 量产 L6230 MC KIT X-Nucleo-IHM08M1 Low voltage Power mosfet expansion board 量产 LV MOSFET X-Nucleo-IHM09M1 Motor Control Connector 量产 Interface for STEVAL X-Nucleo-IHM10A1 Motor Control Board 研发中 VPSH501 X-Nucleo-IHM11A1 Battery Stepper Motor Control Board 研发中 STSPIN230 X-Nucleo-IHM012A1 Battery Stepper Motor Control Board 研发中 STSPIN240 X-Nucleo-IHM013A1 Battery Stepper Motor Control Board 研发中 STSPIN250

26 Flexible MC Platform Power Board SLLIMM Cards Power Boards 26 STEVAL-IPMnmx 是系列通用的 经过完整测试的基于包含三相逆变桥的 SLLIMM 2 nd 二代 IPM 的评估板. 主要特点是尺寸小, 最小化的 BOM 和高效. 它包含接口电路 (BUS and Vcc 接口 ), 自举电容, 缓冲电容, 短路保护, 故障事件电路, 温度监控, 单 / 三采样电阻以及输入信号滤波器. 支持两种电流采样结构 : 选择使用三个板载专用运放或 MCU 内部运放. 支持 Hall/Encoder. STEVAL-IPMnmx MC Connector 3 shunt/single and network sensing SLLIMM 2nd Series Hall/encoder sensors V DC +450V DC

27 更多信息关于 STM32 PMSM FOC SDK v4.2, 请访问 : 下载 : STM32 PMSM FOC SDK v4.2: UM1052: STM32F PMSM single/dual FOC SDK v UM1053: Advanced developer guide for STM32F PMSM single/dual FOC library UM1080: Quick start guide for STM32F PMSM single/dual FOC SDK v4.2 UM1945: STM32 Nucleo Pack FOC and 6-step motor control platform for 3-phase low voltage motor UM1949: Getting started with STM32 Nucleo Pack RN0085: STM32 PMSM single/dual FOC SDK Release note v4.2 DT0012 : Dual PMSM motor drive using STM32F303CB/CC peripherals in time-sharing DT0026 : Field oriented control of PMSM motor exploiting SLLIMM nano and STM32F302x/303x 电机控制论坛 电机控制方案评估板

28 谢谢!

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