變頻器的問世和先進的電機控製方法讓三相無刷電機(交流感應電機或永磁同步電機)曾經在調速應用領域取得巨大成功。這些高性能的電機驅動器過去主要用於(yu) 工廠自動化係統和機器人。十年來，電子元器件的大幅降價(jia) 使得這些電機驅動器能夠進入對成本敏感的市場，例如：家電、空調或個(ge) 人醫療設備。本文將探討基於(yu) ARM的標準微控製器如何在一個(ge) 被DSP和FPGA長期壟斷的市場上打破複雜的控製模式，我們(men) 將以意法半導體(ti) 的基於(yu) Cortex-M3內(nei) 核的STM32係列微控製器為(wei) 例論述這個(ge) 過程。

首先，我們(men) 回顧一下電機控製的基本原理。在電機控製係統內(nei) ，為(wei) 什麽(me) 處理器非常重要？我們(men) 為(wei) 什麽(me) 需要非常好的計算性能？畢竟，Nicolas Tesla在一個(ge) 世紀前發明交流電機時不需要編譯器。隻要需要調速，人們(men) 無法回避使用逆變器驅動一個(ge) 性能不錯的3相電機，控製一個(ge) 永磁同步電機(PMSM)運轉更離不開逆變器，這個(ge) 複雜的功率電子係統的核心是一個(ge) 直流轉交流的3相逆變器，其中微控製器起到管理作用，以全數字方式執行普通的三位一體(ti) 的控製功能：檢測(電流、轉速、角度…)、處理(算法、內(nei) 務管理…)、控製功率開關(guan) (最低的配置也至少有6個(ge) 開關(guan) )。

采用標量控製是一個(ge) 三相交流電機實現變速運轉的最簡單方式。標量控製原理是在施加到電機的頻率和電壓之間保持一個(ge) 恒比。對於(yu) 入門級電機驅動器，這是一個(ge) 非常主流的控製方法，適合負載特性非常普通且控製帶寬要求不高的應用(如功率非常小的電泵和風扇)。不幸地是，並不是所有的應用都能忍受如此簡單的控製過程及其應用限製。特別是，標量控製在瞬變環境內(nei) 不能保證最佳的電機性能(轉矩、能效)。為(wei) 克服這些限製，人們(men) 開發出了其它的電機控製方法，其中磁場定向控製(又稱矢量控製)是應用最廣泛的方法之一。這種控製方式利用兩(liang) 個(ge) 去耦直流控製器，不管運轉頻率如何(例如轉速)，以驅動分開勵磁電機的方式驅動任何一種交流電機(感應電機或永磁電機)。勵磁電流與(yu) 直流的主磁通量(在一個(ge) PMSM電機內(nei) 的磁體(ti) 磁通量)有關(guan) ，而90°移相電流可以控製轉矩，功能相當於(yu) 直流電機的電樞電流。當負載變化時，磁場定向控製方式可實現精確的轉速控製，而且響應速度快，使定子磁通量和轉子磁通量保持完美的90度相位差，即便在瞬變工作環境內(nei) ，仍然能夠保證優(you) 化的能效，這是實現以電機拓撲為(wei) 標誌的更複雜的控製方法所依據的基本理論框架，特別是對於(yu) PMSM電機，這個(ge) 理論是無傳(chuan) 感器電機驅動器的基礎，既可以大幅降低成本(不再需要轉速或轉角傳(chuan) 感器和相關(guan) 的連線)，同時還能提高電機可靠性。在這種情況下，必須隻使用電機數學模型、電流值和電壓值，通過計算方法估算轉子角度位置。在最低分鍾轉數隻有幾百轉的情況下，這種狀態觀測器理論(在其它控製方法中)可以實現無傳(chuan) 感器的轉速控製，在某些情況下，最低分鍾轉數是靜止狀態。不過，這對CPU是一個(ge) 額外的實時負荷。最後，微控製器必須以1KHz到20KHz的速率連續重新計算矢量控製算法，具體(ti) 速率取決(jue) 於(yu) 最終應用帶寬，處理Parke和Clarke轉換和實現多個(ge) PID控製器和軟件鎖相環確實需要高強度的數字計算，這就是過去為(wei) 什麽(me) 數字信號處理器、微處理器或FGPA器件被用作控製器的原因。

盡管專(zhuan) 用雙模控製器和低端定點DSP架構已經問世，但是意法半導體(ti) 仍然選擇使用Cortex-M3內(nei) 核開發STM32微控製器。這個(ge) 解決(jue) 方案可很好地滿足大量的無刷電機驅動器的要求，從(cong) 一次性工程費用的角度看，該解決(jue) 方案的優(you) 點是采用行業(ye) 標準的ARM內(nei) 核和標準微控製器的成本效益。

基於(yu) Harvard架構，這個(ge) 32位RISC采用Thumb2指令集，提供16位和32位指令。對比純32位代碼，這個(ge) 指令集能夠大幅提高代碼密度，同時保留原有ARM7指令集的多數優(you) 點(附加優(you) 化的乘加運算和硬件除法指令)。