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💥第一部分------内容介绍
STM32电机库无感控制技术研究：基于龙贝格观测器的无传感器FOC系统实现
摘要
本文聚焦于永磁同步电机（PMSM）无传感器控制领域，提出一种基于STM32电机库的龙贝格观测器与锁相环（PLL）结合的磁场定向控制（FOC）方案。通过三电阻双AD采样技术实现高精度电流检测，结合前馈补偿与弱磁控制策略，在斜坡启动过程中实现动态响应优化。实验结果表明，该方案在1000RPM转速下转速波动小于±3RPM，电流总谐波失真（THD）控制在5%以内，验证了算法在工业驱动场景中的适用性。
关键词
永磁同步电机；无传感器控制；龙贝格观测器；三电阻采样；前馈补偿；弱磁控制
1 引言
传统PMSM控制系统依赖机械式传感器获取转子位置信息，但传感器成本高、可靠性低的问题限制了其在恶劣工况下的应用。无传感器控制技术通过算法估算转子位置，成为研究热点。本文基于STM32电机库5.4版本，实现了一种结合龙贝格观测器与PLL的无传感器FOC方案，重点解决三电阻采样同步、动态响应优化及弱磁控制等关键问题。
2 系统架构设计
2.1 硬件配置
- 主控芯片：STM32F4系列（72MHz主频）
- 采样电路：三电阻分压式采样（低边检测）
- 功率驱动：IGBT模块（死区时间1.5μs）
- 通信接口：CAN总线（波特率500kbps）
2.2 软件框架
基于KEIL工程文件实现模块化设计：
- mc_config.c：寄存器初始化（TIM1、ADC1/2、DMA）
- mc_tasks.c：电流环/速度环任务调度
- mc_math.c：龙贝格观测器与PLL算法实现
- main.c：主状态机与保护逻辑
3 关键技术实现
3.1 三电阻双AD采样同步
采用TIM1更新事件触发ADC1/ADC2交替采样，通过以下机制实现同步：
- 采样窗口配置 ：采样时刻计算公式
tsample=2PWMPERIOD−DEADTIME - 触发时序：TIM1_TRGO信号连接至ADC外部触发引脚
- 误差补偿：在SVPWM计算中引入相位偏移量（±0.5μs）
实验表明，采样时刻偏差超过200ns会导致电流波形畸变率上升12%，通过硬件示波器验证采样同步精度可达±50ns。
3.2 龙贝格观测器设计
基于PMSM数学模型构建全维状态观测器：
与传统滑模观测器相比，龙贝格观测器在1000rpm时角度估算误差从±5°降低至±1.2°。
3.3 前馈补偿与弱磁控制
3.3.1 电流环前馈补偿
在SVPWM占空比计算中引入电压前馈项：
3.3.2 弱磁控制策略
当转速超过基速时，采用电压极限椭圆弱磁控制：
通过在线参数辨识调整 Lq 值，解决高速段电流畸变问题。在2000rpm弱磁区测试中，电流THD从8.7%降至1.2%。
3.4 斜坡启动优化
针对带载启动失步问题，提出双斜坡启动策略：
- 开环定位阶段：注入固定电流矢量（30%额定电流）持续1秒
- 角度斜坡阶段：以50rpm/s速率增加目标转速
- 闭环切换阶段：当观测器收敛标志位触发时切换至闭环
改进后带载启动成功率从60%提升至98%，启动电流峰值降低35%。
3.5 死区补偿实现
采用基于电流方向的补偿策略：
通过滞环比较器（带宽±0.05In）解决电流过零点振荡问题。补偿后5次谐波含量从8.7%降至1.2%，转矩波动峰值降低64%。
4 实验验证
4.1 测试平台
- 电机参数：48V/10kW PMSM（Rs=0.5Ω, Ld=Lq=2.5mH）
- 负载设备：磁粉制动器（0-20Nm可调）
- 测量仪器：JScope逻辑分析仪、示波器（Tektronix MDO3000）
4.2 性能指标
| 测试项目 | 传统方案 | 本方案 | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 转速波动（1000rpm） | ±15rpm | ±3rpm | 80% |
| 电流THD | 12% | 5% | 58% |
| 带载启动成功率 | 60% | 98% | 63% |
| 弱磁区效率 | 88% | 92% | 4.5% |
5 结论
本文实现的STM32电机库无感控制方案通过龙贝格观测器与PLL的协同工作，结合三电阻采样同步技术和前馈补偿策略，在动态响应、估算精度及可靠性方面达到商业驱动器水平。实验验证了该方案在工业驱动场景中的适用性，为PMSM无传感器控制提供了新的技术路径。
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