摘要：针对目前越来越多工业场合对于高精度位置伺服控制的需求，设计了一款基于STM32平台的高精度永磁同步电机（PMSM）伺服控制器硬件方案。同时，选用具有高功效、低耗能、低成本特点的STM32L412系列芯片作为主控芯片，围绕其进行了最小系统电路设计。此外，采用模块化设计方式进行了电源转换、SPI位置采样、相电流采样，母线电压采样，IPM驱动等模块电路设计，选用12位高精度位置传感器实现电机转子位置实时采样，形成三环（位置环、速度环、电流环）精准反馈，实现基于矢量控制的高精度永磁同步电机伺服控制。该方案具有高度集成化、小型化、高精度、高效率等特点，可满足多种工业领域的应用需求。

关键词：永磁同步电机;伺服控制;模块化设计

In view of the demand for high-precision position servo control in more and more industrial occasions， a high-precision permanent magnet synchronous motor （PMSM） servo controller based on STM32 platform is designed. At the same time， stm32l412 series chips with high efficiency， low energy consumption and low cost are selected as the main control chip， and the minimum system circuit is designed around it. In addition， the modular design method is adopted to design the power conversion， SPI position sampling， phase current sampling， bus voltage sampling， IPM drive and other module circuits. A 16-bit position sensor is selected to realize the real-time sampling of motor rotor position， forming three loops （position loop， speed loop and current loop） accurate feedback， and realizing the high-precision permanent magnet synchronous motor servo control based on vector control. The scheme has the characteristics of high integration， miniaturization， high precision and high efficiency， and can meet the application needs of various industrial fields.

Key Words： permanent magnet synchronous motor; servo control;modular design method

0 引言

高精度伺服系统是保证工业工程可靠性和自动化产品高端性能的重要因素之一[1]，而永磁同步电机以其高稳定性和高效率广泛应用于多种伺服系统[2]。越来越多的研究工作集中于永磁同步电机的高精度高性能伺服控制，已有大量文献发表。

文献[3]采用STM32F103系列芯片和集成半桥电机驱动芯片设计了一款永磁同步电机控制板。通过霍尔传感器采集电机转子位置信号，使用电流互感器采集电机相电流，实现电机控制。但霍尔传感器容易受到外部磁场和温度的影响，导致位置采样精度下降。文献[4]结合了微分前 馈控制与终端滑模的优点，形成前、后双重反馈算法，大大减少超调量，但这一定程度增加了控制系统的复杂性和可操作难度。文献[5]建立了基于直驱方式的永磁同步电机的伺服控制系统，采用前馈的方式对位置环进行补偿，提高控制精度，但对于电机伺服控制系统的速度环和电流环的影响考虑较少。文献[6]采用单对极磁电编码器对电机转子位置进行采样，并且对位置采样滞后的情况进行补偿，实现高精度位置控制，但此方法在低速应用场合的精度和性能还需进一步验证。

本文基于STM32平台设计了一款低能耗、高效率、高集成度的永磁同步电机伺服控制器，利用高精度电流传感器采样电机相电流形成电流环反馈，经高精度磁电编码器采样电机转子位置形成位置环和速度环反馈。通过主控芯片的串口模块实时调节三环（位置环、速度环、电流环）的PID参数，实现永磁同步电机的高精度伺服控制。

1 整体系统结构和硬件设计方案

基于矢量控制（FOC）策略，该控制方案采用模块化设计实现三闭环（位置环、速度环、电流环）伺服控制[7]。本方案通过采用12位高精度位置传感器A1333实时获取电机转子位置信号，用于实现位置环和速度环的反馈;利用电流传感器ACS730采集电机的两相电流，并通过Clarke变换和Park变换后形成电流环反馈;再通过三环PI控制器得dq轴电压控制信号，输入到SVPWM模块后再经过智能功率（IPM）模块输出三相电压给电机，实现电机的最高精度0.08°的精密伺服控制。该基于智能实时PI的伺服控制器整体设计方案如图1所示：

以矢量控制算法为基础，选择以功能专一和封装紧凑为特色，为注重成本预算的消费类、工业和医疗应用带来超低功耗技术和优异的处理性能的STM32L412芯片为控制系统的MCU，设计了最小系统模块、驱动模块、电流采样模块、电压采样模块、电源变换模块、位置检测模块。整体硬件设计框图和PCB如图5和图6所示：

2 硬件设计方案

2.1电源变换电路设计

对于电源系统，外部输入的DC24V电源电压，通过PW2312转换为DC5V，同时给位置检测电路和电流检测电路供电。DC5V通过RS3007-3.3芯片分别转换为DC3.3V，为最小系统供电。电源转换电路功能框图如图3所示：

5V转换芯片PW2312内部集成了低开通电阻、高耐压的功率MOSFET。芯片的输入电压范围达4-30V，连续输出电流可达1.2A。输出电压可根据外围配置的不同阻值的电阻实现。本方案采用配置外围79kΩ和15kΩ的电阻，实现24V转5V输出。芯片采用SOT23-6的封装，外围配置较少数量器件（不需要二极管），可以为PCB节约布局空间。

RS3007是低功耗、宽电压输入的线性降压芯片，输入电压范围宽（可高至DC45V），额定输出电压1.8V， 2.5V， 3.0V， 3.3V和5.0V，额定输出电流300mA能够满足系统需求。

2.2 STM32L412主控电路设计

选择意法半导体公司的STM32L412KBUx芯片作为主控制器，选用UFQFPN32（5*5mm） 32引脚紧凑型封装可以节约元器件和PCB板的布局空间;超低功耗特性（工作电流仅为28μA/ MHz）为系统提供了高可靠性;80MHz处理器内核、12路外设通信接口（包含3路I2C、3路串口收发器、2路SPI）、两路12位的ADC模拟外设可以满足系统需求。STM32L412最小系统电路如图5所示。

系统用到该芯片内部的ADC模块（电流传感器通信）、PWM模块（控制信号输出）、USART模块（串行通信）和SPI模块（位置传感器通信）。其中液压油的压强和温度信号由电液伺服阀测试台给出的电压信号经过电阻分压电路后输入芯片引脚进行采样。相关引脚配置和功能说明如表1所示。

2.3 驱动电路设计

选用国产芯片AT8313，该芯片内置的3路半H桥功率MOSFET，每路半桥可提供2.5A的连续输出电流;功率电源供电范围宽：8V-38V（系统提供24V，可满足需要）;选用QFN36 引脚6*6紧凑封装;芯片内部提供3.3V 10mA整流输出（可用此电压使能3路半H桥）。

电路原理图如图6所示。

由于桥电路使用NMOS，驱动此器件需要一个比功率电压VM更高的栅极电压。AT8313内置电荷泵电路来产生此电压。电荷泵电路需要外置电容来实现该功能。因此在高侧栅极驱动（VCP）和功率电源（VM）之间、电荷泵电路引脚之间（CPL/CPH）接入0.1μF电容。

休眠模式（nSLEEP）、复位模式（nRESET）引脚控制引入3.3V逻辑高电平（此电平由芯片内部整流输出），使芯片正常工作。由于不使用半H桥下管S端管脚（PGND1/PGND2/PGND3）检测电流，将此三个脚直接接地。3路半H桥独立控制，逻辑控制输入真值表见表2所示。

2.4 位置检测电路设计

在本设计中，位置检测采用无接触式的圆形垂直霍尔检测效应，使用美国ALLEGRO公司的A1333芯片，可以检测360°方位的x-y平面（面向芯片平面）的磁场向量方向，并计算位置角度以及其他用户设定的内部参数。该芯片可监测0-15000rpm转速内的旋转磁场角度位置，提供12位或15位分辨率（通过访问内部寄存器设置）。本方案芯片选用14引脚的TSSOP封装，单晶片型。

2.5电流检测电路设计

采集三相驱动输出中的其中两相电流信号，通过电流传感器处理转化为电压信号，输出给主控制器ADC模块。选用Allegro公司的ACS724LLCTR-05AB-T电流传感器，DC5V供电，采样电流范围：-5A～+5A（IPR）。芯片输出模拟电压信号（VIOUT），此信号在量程内与检测的电流成线性变化。滤波引脚可以通过外接电容在更低的带宽范围滤除噪声，提高输出精度。

当提供单极性电压供电时（本方案5V供电），芯片定义零位电流输出电压（Viout（Q））为0.5*VCC（双向量程）或者0.1*VCC（单量程）;本方案选用的电流传感器为双量程（±5A），当电流为0时，芯片正常输出2.5V电压。为了使电流传感器芯片输出的电压与STM32L412芯片的引脚耐压（3.3V）匹配，传感器在外围配置了分压电阻。电流检测电路原理图如图8所示。

3、试验结果

利用该控制器控制永磁同步电机进行位置跟随试验，通过给定随时间变化的位置信号，分析其控制性能和精度。试验参数如表3所示：

基于矢量控制算法，通过串口在线调试三环PID参数，软件自动给定随时间变化的位置信号（0-360°）指令，电机转轴跟随情况如图9所示。从位置响应曲线可以看出，该控制器响应快，通过采用12位的位置传感器，最高控制精度可达到0.08°。

4、结语

本文以STM32L412系列芯片为主控芯片，以高度集成的智能功率芯片AT8313为驱动芯片，设计了可适用于矢量控制的永磁同步电机伺服控制器硬件方案。通过采用集成化芯片设计电源转换、电流采样、电机转子位置测量、电机驱动等模块电路，实现了该控制器的高度集成化和易操作性。最后，通过位置响应试验结果分析，证明该控制器选用12位高精度磁电编码器作为位置传感器，最高可实现0.08°的高精度位置伺服控制，具有一定的应用价值。

参 考 文 献

[1]谷安， 刘正埙. 高精度伺服系统的机理研究[J]. 机电一体化， 2002， 8（2）：2.

[2]陈荣. 永磁同步电机伺服系统研究[D]. 南京航空航天大学， 2005.

[3]孟健， 梁珣. 基于STM32的永磁同步电机控制板设计[J]. 电子与封装， 2019， 19（12）：4.

[4]王朝阳， 潘松峰. 基于终端滑模控制器的高精度伺服系统设计[J]. 制造业自动化， 2021， 43（1）：5.

[5]赵剑飞， 刘建波， 丁朋飞，等. 超低速大惯量比永磁同步电机高精度位置伺服控制研究[J]. 工业控制计算机， 2017， 30（1）：3.

[6]郝双晖， 唐梓力， 郝明晖，等. 高速电机高精度伺服控制[J]. 天津大学学报， 2010， 43（5）：6.

[7]张会娟， 姚艳艳， 刘建娟，等. 基于矢量控制的永磁同步电机控制方法研究[J]. 计算机测量与控制.