一个直流转交流的 3 相逆变器，其中微控制器起到管理作用，以全数字方式执行普通的
三位一体的控制功能：检测(

…

电流、转速、角度 )、处理(

…

算法、内务管理 )、控制功率开关

(最低的配置也至少有 6 个开关)。
　　采用标量控制是一个三相交流电机实现变速运转的最简单方式。标量控制原理是在施
加到电机的频率和电压之间保持一个恒比。对于入门级电机驱动器，这是一个非常主流的
控制方法，适合负载特性非常普通且控制带宽要求不高的应用(如功率非常小的电泵和风
扇)。不幸地是，并不是所有的应用都能忍受如此简单的控制过程及其应用限制。特别是，
标量控制在瞬变环境内不能保证最佳的电机性能(转矩、能效)。为克服这些限制，人们开
发出了其它的电机控制方法，其中磁场定向控制(又称矢量控制)是应用最广泛的方法之
一。这种控制方式利用两个去耦直流控制器，不管运转频率如何(例如转速)，以驱动分开
励磁电机的方式驱动任何一种交流电机(感应电机或永磁电机)。励磁电流与直流的主磁通
量(在一个 PMSM 电机内的磁体磁通量)

 

 

有关 ，而 90°移相电流可以控制转矩，功能相当

于直流电机的电枢电流。当负载变化时，磁场定向控制方式可实现精确的转速控制，而且
响应速度快，使定子磁通量和转子磁通量保持完美的 90 度相位差，即便在瞬变工作环境
内，仍然能够保证优化的能效，这是实现以电机拓扑为标志的更复杂的控制方法所依据
的基本理论框架，特别是对于 PMSM 电机，这个理论是无传感器电机驱动器的基础，既
可以大幅降低成本(不再需要转速或转角传感器和相关的连线)，同时还能提高电机可靠
性。在这种情况下，必须只使用电机数学模型、电流值和电压值，通过计算方法估算转子
角度位置。在最低分钟转数只有几百转的情况下，这种状态观测器理论 (在其它控制方法
中)可以实现无传感器的转速控制，在某些情况下，最低分钟转数是静止状态。不过，这
对 CPU 是一个额外的实时负荷。最后，微控制器必须以 1KHz 到 20KHz 的速率连续重新
计算矢量控制算法，具体速率取决于最终应用带宽，处理 Parke 和 Clarke 转换和实现多个
PID 控制器和软件锁相环确实需要高强度的数字计算，这就是过去为什么数字信号处理
器、微处理器或 FGPA 器件被用作控制器的原因。
　　尽管专用双模控制器和低端定点 DSP 架构已经问世，但是意法半导体仍然选择使用
Cortex-M3 内核开发 STM32 微控制器。这个解决方案可很好地满足大量的无刷电机驱动器
的要求，从一次性工程费用的角度看，该解决方案的优点是采用行业标准的 ARM®内核
和标准微控制器的成本效益。
　　基于 Harvard 架构，这个 32 位 RISC 采用 Thumb2 指令集，提供 16 位和 32 位指令。对
比纯 32 位代码，这个指令集能够大幅提高代码密度，同时保留原有 ARM7 指令集的多数
优点(附加优化的乘加运算和硬件除法指令)。
　　电机控制系统要求微控制器须具备卓越的实时响应性(中断延时短)、纯处理功能(如单
周期乘法)以及优异的控制性能(当处理非序列执行流和条件转移指令时)。Cortex-M3 能够
满足所有这些要求。例如，当时钟频率是 72MHz 时，在 25μs 内对一个永磁电机完成一次
无传感器磁场定向控制，这相当于在 10 kHz 采样率下 25% 的 CPU 负荷。
　　在 STM32 微控制器内，该内核与意法半导体优化型闪存接口紧密配合，只需增加很
少的外部元器件，周边外设即可处理外部事件(图 2 所示是 STM32F103 中容量微控制器的
结构框图)。不用说，PWM 定时器和模数转换器是最重要元器件。PWM 定时器包括最先进
的功能，如中央对齐模式 PWM 信号生成和死区时间插入逻辑，特别强调安全性:该模块
直接控制功率开关换向，可控开关功率达到数千瓦。例如，用于配置某些重要参数的寄存

“

”

 

器代码可以被锁保护，以防软件失效。只要 紧急停止 引脚被拉低，所有的 I/O 引脚都被
置于用户可配置的安全状态。这个功能设计采用组合逻辑模块，当主时钟(晶体)失效时，
内部切换到后备振荡器之前，可确保保护电路仍然能够正常工作。最后，该微控制器还包
含一个第 4 比较通道，专门用于触发模数转换器，实现最佳的电流测量精度。