變頻器(Variable-frequency Drive，VFD)是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。 [1]變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。

20世紀60年代以后，電力電子器件普遍應用了晶閘管及其升級產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠遠無法滿足需要。1968年以丹佛斯為代表的高技術企業(yè)開始批量化生產(chǎn)變頻器，開啟了變頻器工業(yè)化的新時代。 [3]20世紀70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM-VVVF)調(diào)速的研究得到突破，20世紀80年代以后微處理器技術的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實現(xiàn)。 [3]20世紀80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達國家的 VVVF變頻器技術實用化，商品投入市場，得到了廣泛應用。 最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。

相比較國外變頻器的發(fā)展狀況，我國的變頻器應用起步較晚，直到20世紀90年代末期才得到較為廣泛的推廣。國內(nèi)變頻技術發(fā)展狀況，可以概括為：變頻器的整體技術相對落后，和國外在變頻調(diào)速研究上取得的先進成果比，存在著較大的差距;變頻器使用的核心部件技術空白，目前來說，變頻器的生產(chǎn)中需要的關鍵功率器件，在國內(nèi)幾乎沒有廠家可以生產(chǎn)，導致我們核心技術受制于國外，必須依靠進口;主要產(chǎn)品集中在低壓產(chǎn)品和中低端市場。由于產(chǎn)品可靠性和工藝水平不高，目前國內(nèi)變頻器產(chǎn)品主要面向低壓和對性能要求一般的市場，高性能、大功率市場主要被國外大公司占領。 [11]步入21世紀后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。上海和深圳成為國產(chǎn)變頻器發(fā)展的前沿陣地。

電力電子器件的自關斷化、模塊化，變流電路開關模式的高頻化和控制手段的全數(shù)字化促進了變頻電源裝置的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全數(shù)字化，利用了微型計算機的巨大的信息處理能力，其軟件功能不斷強化，使變頻裝置的靈活性和適應性不斷增強?，F(xiàn)在中小容量的一般用途的變頻器已經(jīng)實現(xiàn)了通用化。采用大功率自關斷開關器件(GTO、BJT、IGBT)作為主開關器件的正弦脈寬調(diào)制式(SPWM)變頻器，已成為通用變頻器的主流。

盡管專用雙模控制器和低端定點DSP架構已經(jīng)問世，但是意法半導體仍然選擇使用Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)STM32微控制器。這個解決方案可很好地滿足大量的無刷電機驅(qū)動器的要求，從一次性工程費用的角度看，該解決方案的優(yōu)點是采用行業(yè)標準的ARM?內(nèi)核和標準微控制器的成本效益。

基于Harvard架構，這個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(shù)優(yōu)點(附加優(yōu)化的乘加運算和硬件除法指令)。

電機控制系統(tǒng)要求微控制器須具備卓越的實時響應性(中斷延時短)、純處理功能(如單周期乘法)以及優(yōu)異的控制性能(當處理非序列執(zhí)行流和條件轉(zhuǎn)移指令時)。Cortex-M3能夠滿足所有這些要求。例如，當時鐘頻率是72MHz時，在25μs內(nèi)對一個永磁電機完成一次無傳感器磁場定向控制，這相當于在10 kHz采樣率下25% 的CPU負荷。

意法半導體擴大32位STM32微控制器(MCU)支持的電機矢量控制函數(shù)庫，新增了支持單旁路無傳感器控制、內(nèi)部永磁(IPM)電機控制和永磁同步(PMSM)電機弱磁控制的算法。目前市場上大約已有40種電機控制應用采用了意法半導體的基于Cortex-M3的STM32微控制器。 在設計人員目前可以獲得的新算法中，單旁路電流感應支持功能只需要一個電流感應電阻器，比需要三個電阻器的普通無傳感器控制機制更加節(jié)省系統(tǒng)成本。單旁路電流感應是意法半導體開發(fā)的一項專利技術，具有直流總線電壓利用率高、電流失真小和可聽噪聲低等優(yōu)點。通過增加一個"最大化轉(zhuǎn)矩電流比"(MTPA)控制算法，擴大的函數(shù)庫給設計人員提供了更大的自由設計空間，使他們能夠靈活地定義無刷IPM電機的電氣參數(shù)，滿足實際應用對電機的高功率密度和高速性能的需求?；谶@些新的算法，開發(fā)人員可以充分利用STM32豐富的電機控制外設，包括STM32集成的兩個三相PWM定時器，使一個微控制器可以同時控制兩個無刷電機。通過打破一個微控制器控制一個電機的規(guī)則，設計人員使用STM32可以節(jié)省成本，降低設計尺寸和功耗，而且不會對性能有任何影響。微控制器集成的三個模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠支持高精度電機驅(qū)動器用的三路采樣保持電流捕獲。因為STM32采用先進的ARMCortex-M3CPU工業(yè)標準架構，用戶在STM32上開發(fā)電機控制解決方案要比使用企業(yè)專有架構更節(jié)省時間。

即使最復雜的算法幾乎也無法修正不精確的模擬測量值，但是，在某種程度上，電機驅(qū)動系統(tǒng)的總體性能取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量。STM32F103芯片內(nèi)置三個采樣率為1MSps的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在整個溫度和電壓范圍內(nèi)，總不可調(diào)整誤差 (TUE)低于5 LSB.模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字接口有三個主要功能：首先，使CPU擺脫簡單控制任務和數(shù)據(jù)處理;其次連接芯片的其余部件(中斷請求、DMA請求、觸發(fā)輸入);最后，使STM32的多路轉(zhuǎn)換器同步操作。

在這些對無刷電機控制有用的功能中，我們首先考慮通道讀序列發(fā)生器。對比傳統(tǒng)的掃描電路(按照模擬輸入序號，按序轉(zhuǎn)換一定數(shù)量的通道)， 在一個16個轉(zhuǎn)換通道組成的順列(例如：Ch3, Ch3, Ch0, Ch11)內(nèi)，序列發(fā)生器可按任何順序轉(zhuǎn)換通道，當設計人員在設計印刷電路板時，這個功能給設計人員帶來更高的設計靈活性，為實現(xiàn)平均轉(zhuǎn)換目的，準許對同一通道進行多次采樣(在一個序列內(nèi))，當整個序列轉(zhuǎn)換完畢后，DMA通道將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到RAM,中斷處理程序產(chǎn)生一個中斷請求。

在檢測電機相位電流的過程中，瞬變電壓在功率開關上產(chǎn)生的噪聲(在離線開關應用中，典型噪聲達到幾百個V/μs)是引起讀取誤差的一個重要原因，可能導致測量結(jié)果的信噪比非常低。解決方案是使模數(shù)轉(zhuǎn)換器與控制功率級的定時器同步：因為換向時刻可以預定(由3 PWM定時器的比較寄存器定義)，所以可以使用一個額外比較通道在換向時刻稍前或稍后觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作?；谶@個原因，STM32啟用了第二個序列發(fā)生器(又稱注入序列發(fā)生器)，該序列發(fā)生器的優(yōu)先級高于正常序列發(fā)生器，可以用一個不能延遲的新轉(zhuǎn)換操作使當前的轉(zhuǎn)換操作中斷。通常情況下，正常序列發(fā)生器負責"內(nèi)部管理"轉(zhuǎn)換，連續(xù)檢測溫度或直流總線電壓(作為后臺任務)，然后通過DMA通道發(fā)送到RAM,而注入序列發(fā)生器則將處理時間關鍵的轉(zhuǎn)換操作，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在模數(shù)轉(zhuǎn)換器寄存器(將會產(chǎn)生一個中斷，但是不能接受延時)。

對于一個能夠執(zhí)行先進的電機控制功能的通用微控制器，擁有微控制器是一回事，而開發(fā)輕松入門卻是另一回事。利用軟硬件工具可以把這個問題的兩個方面都處理好。首先是擁有一套電機控制開發(fā)入門工具，包含測試工具(JTAG探針和光隔離器)、 微控制器芯片以及功率級電路板和演示用PMSM電機，這套工具用于產(chǎn)品性能評估和開發(fā)用途。模塊化設計有助于升級演示應用(例如雙電機控制微控制器電路板)，評估多個(或定制)功率級。最后，意法半導體為STM32客戶免費提供電機控制軟件庫。2.0版電機控制軟件庫利用頭文件內(nèi)的一個簡單且低廉的 #define聲明列表支持各種配置。

軟件庫包含交流感應電機和同步電機的磁場定向控制算法，為簡化代碼的可讀性和可維護性，這些算法采用C編程語言，再次證明了現(xiàn)代編譯器的效率。該軟件庫還針對PMSM電機提供一個穩(wěn)健的無傳感器控制算法(基于磁通觀測器)，以及一個超高速內(nèi)部永磁電機 (IPM)專用控制算法。當然，該軟件還支持普通轉(zhuǎn)速和位置傳感器(增量編碼器、霍爾傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器)。通過使用隔離傳感器或分流器，STM32支持三種電流檢測方法。STM32外設可以實現(xiàn)一個創(chuàng)新的單電流檢測方法，利用成本最低的配置(一個簡單的獨特的電阻器)執(zhí)行矢量控制。因為能夠最大限度降低本征電流失真率，這項技術已取得專利權。

意法半導體目前的主要開發(fā)項目是控制電機直到靜止狀態(tài)的無傳感器永磁電機控制和內(nèi)置功率因數(shù)校正功能的雙電機控制。最近，意法半導體成功演示了單電流檢測方法，僅一個STM32微控制器就能執(zhí)行兩個單電流檢測矢量控制功能，同時還用一個40 kHz的控制回路管理PFC級(詳見圖1)。

圖1：STM32F103HD可以同時處理雙電機控制和數(shù)字PF

圖 2：STM32F103中容量微控制器結(jié)構框圖

圖 3：STM32：強固的增長基礎

從功率開關分立器件，到復雜的系統(tǒng)芯片，意法半導體承諾以其獨有的產(chǎn)品組合長期支持電機控制市場。STM32微控制器產(chǎn)品線將繼續(xù)沿四個新方向部署，如圖3所示，其中兩個方向適用于電機控制。第一個產(chǎn)品線將面向低成本市場，開發(fā)低端的16位電機控制微控制器。另一個產(chǎn)品線以高性能為訴求，面向需要更高處理性能、更大存儲容量和高帶寬接口的應用。如此寬廣的產(chǎn)品組合結(jié)合Cortex-M3內(nèi)核，勢必確立STM32架構適用于現(xiàn)在和未來電機驅(qū)動的多功能性。