馬達驅動是自動化工業市場的一個主要特點，意法半導體（ST）擁有各種馬達專用軟硬體解決方案，為滿足各種應用需求，ST 馬達控制生態系統含有整體解決方案，例如評估板、韌體（FW）庫和相關資料。

現在ST 馬達控制生態系統新增一個叫做 STM32 PMSM FOC SDK v4.0 的永磁同步馬達（PMSM）控制韌體庫。這些工具有助於縮短客戶產品研發週期，加快對意法半導體產品的評估。事實上，意法半導體支援自動化和工業領域的各種馬達控制，這歸功於創新的產品組合，包括功率電晶體、智慧功率模組 、馬達驅動器晶片和最新的微控制器。

PMSM FOC SDK功能和專用演算法提升了意法半導體工業馬達驅動產品評估的實用價值。為實現這個目標，硬體和韌體解決方案必須協同工作。此外，為取得最高的馬達控制性能，大家非常熟悉的三相無刷馬達向量控制技術（FOC）新增多種不同的專用演算法。

圖1 : 自動化和工業馬達控制

意法半導體早在多年前就開始向量控制技術的研發，2009年發佈了首款支援STM32微控制器及STM32馬達控制開發板的3相馬達控制韌體庫。此後，該解決方案被不斷進步，新增多項功能：

‧ 無感測器式永磁馬達控制（兩個互補演算法、反電動勢狀態估計器和高頻注入）

‧ 韌體庫完全可配置，支援STM32F全系產品（F0、F1、F2、F3、F4），支援意法半導體的功率級產品（如SLLIMM智慧功率模組）或分立解決方案（功率MOSFET、IGBT、閘極驅動器）

‧ 透過個人電腦軟體（ST MC Workbench）配置韌體庫，?明使用者設置系統，在個人電腦與韌體之間即時通訊

‧ 透過一個微控制器同時驅動兩個馬達的「雙驅」馬達控制

‧ 其它功能，例如：磁通量弱化、內磁式馬達MTPA（最大轉矩電流比）和正饋電流調節

韌體與硬體工具（控制級+功率級或整體解決方案）配合使用，有助於使用者快速開始產品原型設計。

圖2 : 永磁同步馬達控制生態系統

STM32 FOC SDK V4.0 新功能STM32 FOC SDK V4.0是該韌體庫的2014年新版，其架構改善之處主要是韌體的易用性，強化易用性有助於使用者加快產品設計，縮短研發週期，這兩個因素是電子企業取得成功的關鍵。為提高軟體發展工具的易用性，從原始程式碼到個人電腦繪圖使用者介面軟體，意法半導體馬達控制生態系統新增很多功能，並配有一套開發資料，其中包括技術文檔、常見問題解答、展示文件、軟體示例、用例、教程和視訊。

STM32 FOC SDK V4.0生態系統包括快速高效設計所需的兩大工具：韌體庫和個人電腦繪圖使用者介面軟體。

從高性能價格比的48Mhz Cortex-M0 STM32F030x，到整合各種類比IP模組的STM32F30x，再到最先進的支援浮點指令的180Mhz Cortex-M4 STM32F4，STM32向量控制韌體庫支援STM32 F全系產品。從醫療用的小型馬達，到工廠自動化或電力牽引用大型伺服馬達，STM32覆蓋各種馬達控制應用領域。不同於其它品牌的馬達控制解決方案，STM32 FOC韌體庫採用了物件導向的方法，這也是意法半導體韌體庫支援不同系列微控制器的原因。

除保留上一版軟體抽象層結構嚴謹的優點外，V4.0版還簡化了Workspaces，減少了每次配置的專案數量。此外，韌體庫支援的IDE開發環境過去只有IAR Embedded Workbench，現在還支援KEIL Microvision整合式開發環境。

馬達控制應用程式設計介面（API）是上一版的旗艦技術，新版中的API增加了新功能。此外，新版套裝軟體還增加一套軟體示例。使用者可以利用馬達控制API匯出的函數實現典型用例，將其用於最終應用設計中，例如：

‧ 根據類比輸入電壓設置轉速參考值

‧ 輸出PWM訊號與轉速測量值保持比例關係

‧ 即時修改控制器頻寬等參數

‧ 即時修改控制環路的轉速感測器和位置感測器參數

實現這個功能所需的全部代碼都在軟體示例內，可以用作創建更複雜項目的基礎，也可以視為理解API本身背後邏輯的參考指南。馬達控制庫兼作一個黑匣子，說明如何向馬達發佈命令，例如：啟動、停止或減速，還可用於接收馬達回饋訊號，例如：轉速、轉矩或功率的測量值。韌體庫還能讓客戶專注應用頂層研發，利用特定的策略知識設計差異化解決方案。

圖3 : MC SDK 4.0使用者介面

在4.0版中，韌體使用者介面有兩個通訊通道。如果控制板裝有LCD液晶螢幕，則可以實現一個輕量（小代碼量）的LCD繪圖使用者介面，簡版LCD能夠讓用戶更靈活地定制繪圖使用者介面，增加更多的用戶韌體互動功能。如果控制板沒有LCD螢幕，則可以透過USART在韌體和個人電腦之間建立即時通訊通道。V4.0還可以建立快速的單向通訊通道，讓韌體能夠以最大速率向個人電腦連續不斷地發送資料，不包含用於監視快速變化的變數的控制位元組。

Workbench的其它新功能

‧ 無感測器啟動設置視窗新增強加電流和加速繪圖使用者介面，為使用者帶來參數描述視覺化的好處。

‧ 與工具捆綁發行的Workbench專案配置更加豐富，覆蓋各種參考設計板。

‧ Workbench與技術文檔之間的連結被強化，在程式功能表內輸入一個新專案後，用戶被直接轉向技術文檔：快速入門、用戶手冊、開發人員手冊和API參考手冊。

‧ 此外，Workbench從上一版開始完全支援數字PFC插接板，現在還能夠設置功率級AC輸入範圍，處理已實現的安全功能，例如：過電流和過電壓，讓用戶在驅動管理級設置適合的閾值。

利用高頻注入法實現零速控制

新版韌體的改善之處不局限於使用體驗和易用性。4.0版包含一個新的無感測器控制演算法及上一版的BEMF狀態估計器，新的無感測器控制演算法叫做「高頻注入（HFI）」，適用於內磁式永磁同步馬達（PMSM）。在這種馬達內，磁體不是裝在轉子表面，而是埋在轉子的鐵晶片。內磁式永磁同步馬達 出現電感異向性，從繞組與象限和直軸的關係中不難看出這一點（Lq不同於 Ld）。

圖4 : 馬達磁結構

高頻注入方法利用磁體結構的異向性檢測低速和靜止轉子的角位置，這種無感測器檢測技術擴大了反電動勢 （BEMF）估計器或者反向電磁力檢測技術的轉速檢測範圍。因為反電動勢幅度與馬達轉速是比例關係，所以，當馬達靜止或轉速極低時，反電動勢幅度因太小而不易被發現。基於一種完全不同的物理學原理的高頻注入法可以控制低轉速執行的馬達。脈動場被注入到馬達內， 利用馬達磁結構內的電流計算電角。為了避免產生額外的轉矩，注入頻率的設定值必須高於基本頻率。像是用X射線掃描馬達，檢測轉子相對磁體結構異向性的電位置。這種方法適用於靜止到低轉速階段，與反電動勢估計器協同工作，根據馬達轉速即時自動切換控制方法。

這種新演算法將屬於意法半導體為客戶提供的多項馬達控制SDK創新專利技術，具有多項優點：

‧ 零速全轉矩

‧ 低速運轉

‧ 無感測器式啟動，無反向旋轉

‧ 最快的無感測器式啟動

‧ 無感測器正（順時針）反（逆時針）向轉速檢測

此外，該解決方案可提升受益於啟動效率的應用系統價值，包括空氣壓縮機、低速執行或反向旋轉（洗衣機或工業自動化、電動自行車或牽引馬達）以及更多新興應用。

硬體工具

意法半導體為其馬達控制韌體庫提供配套評估板，讓用戶能夠在實際馬達控制系統內評測意法半導體產品，例如：智慧功率模組（SLLIMM）、IGBT、閘極驅動器、馬達控制晶片和微控制器。針對三相馬達控制應用，我們主要介紹以下內容：

由控制板和功率板構成的靈活的模組化系統，其中，控制板裝有任何一款 STM32 F0、F1、F2、F3或F4微控制器，以及豐富的功能周邊設備，例如：MEMS、溫度感測器、外部記憶體、LCD液晶螢幕、收發器、攝影鏡頭等；在功率板上有基於SLLIMM（小型模塑低損耗智慧功率模組）的變頻器，或者功率MOSFET或IGBT和閘極驅動器的離散元件。控制板和功率板可以透過意法半導體的標準「馬達控制連接器」相連，確保控制級和功率級全面相容。

圖5 : 靈活的系統控制板和功率板

舉例而言，單板馬達驅動解決方案是在一塊電路板上整合馬達驅動所需全部功能，適合於某些特定應用，例如：空調、吊扇、洗碗機等；以STEVAL-IHM034V2為例，該方案能夠驅動最高1.4kW的永磁同步馬達PMSM，再連接一塊電路板，能夠同時驅動兩台馬達（FOC）。

圖6 : 完整的馬達驅動器

結論

簡要介紹了最新版MC FOC SDK的新功能特性，意法半導體的自動化和工業控制解決方案不斷增加新的功能、技術和產品，擴大意法半導體馬達控制生態系統，以順應在工具易用性和快速評估的趨勢，同時關注能效、整合度和成本最佳化等設計問題。

（本文作者Gianluigi Forte、Dino Costanzo、Antonino Bruno任職於意法半導體）