UM0492
用户手册
STM32F103xx
永磁同步电机磁场定向控制
(PMSM FOC)软件库 V2.0
简体中文版
*本手册由优易特电子公司根据 ST 公司的 UM0492 文档，组织翻译而成，仅为方便用户学习
使用，如有错误，请以英文原稿为准。
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UM0492
用户手册
STM32F103xx
永磁同步电机磁场定向控制(PMSM FOC)软件库 V2.0
简 介
本用户手册介绍了永磁同步电机（PMSM）FOC 软件库，STM32F103xx 微控制
器就是针对磁场定向控制（FOC）3 相永磁电机固件库开发的。
这些 32 位，ARM 的 Cortex™- M3 的芯 ST 微控制器（STM32F103xx）附带一
套外围设备，使之适用于永磁交流同步电机和交流异步电机磁场定向控制。特 别
是，本手册介绍了 STM32F103xx 软件库发展到可以控制外置型或嵌入型或在扭矩
和速度两个控制模式下控制正弦波驱动永磁电机。这些电机可能配备一编码器，
具有三个霍尔传感器或者他们可能无传感器。在 UM0483 用户手册中介绍了具有
编码器或测速发电机的交流感应电机的控制。
永磁同步电机磁场定向控制库是由几个 C 语言的模块构成，并列装 IAR
EWARM 5.20，Keil 公司的 RealView MDK 3.22a 和 Green Hills 5.03 工作区。
它是用来同时快速评估 MCU 和可用的工具。此外，当和 STM32F103xx 电机控制入
门套件（STM3210B- MCKIT）及永磁电机一起使用时，可以让电机在很短的时间
运转起来。它通过提供立即可用功能，也省去了 FOC 发展的耗时和速度调节的需
要，让用户专注于应用层。而且，因为有了转子位置重构无传感器算法，它可能
不需要任何速度传感器。
使用这个库的一个先决条件是要懂得 C 语言程序设计的基础知识，永磁电机
驱动器和功率逆变器的硬件的基本知识。需要定制现有模块和添加一个新型的完
整应用开发时才需要深入了解 STM32F103xx 功能。
图 1 显示了固件结构图。它广泛使用 STM32F103xx 标准库，但当需要优化执
行速度和代码大小时它也直接作用于硬件设备的外围设备。
图1 固件结构图
目录
1 工具 ..........................................................7
1.1 工作环境 ......................................................................................................................7
1.2 软件工具 ......................................................................................................................7
1.3 源代码库 ......................................................................................................................8
1.3.1 更新 ..................................................................................................................8
1.3.2 文件结构...........................................................................................................8
1.4 自定义 STM32F103xx 系列工作区...............................................................................8
2 无传感器 FOC 的永磁电机介绍 ...................................10
2.1 永磁同步电机磁场定向控制驱动器简介.................................................................10
2.1.1 永磁电机结构.................................................................................................11
2.1.2 永磁同步电机基本方程.................................................................................12
2.1.3 SM-PMSM 磁场定向控制（FOC）....................................................................13
2.1.4 IPMSM 的最大转矩电流比（MTPA）的控制..................................................14
2.1.5 前馈电流调节.................................................................................................16
2.2 无传感器的转子位置/速度反馈简介.......................................................................17
2.3 弱磁控制简介 ............................................................................................................18
3 运行演示程序 .................................................20
3.1 转矩控制模式 ............................................................................................................20
3.2 速度控制模式 ............................................................................................................22
3.3 电流和速度调节器的调整.........................................................................................23
3.4 弱磁 PI 控制器的调节...............................................................................................24
3.5 观测器和 PLL 增益调节.............................................................................................25
3.6 DAC 的功能 .................................................................................................................26
3.7 电源反馈（Power stage feedbacks）...................................................................26
3.8 故障信息 ....................................................................................................................27
3.8.1 过流 ................................................................................................................27
3.8.2 过热 ................................................................................................................28
3.8.3 总线过压.........................................................................................................28
3.8.4 总线欠压.........................................................................................................28
3.8.5 启动失败.........................................................................................................28
3.8.6 错误的速度反馈.............................................................................................28
3.9 在单分流拓扑结构和使用 MB459B 电路板的系统设置...........................................29
3.10 使用 ICS 时的系统设置...........................................................................................29
3.10.1 PHASE_A_ADC_CHANNEL 和 PHASE_B_ADC_CHANNEL 的选择........................30
3.11 使用编码器时的系统设置.......................................................................................30
3.12 使用霍尔传感器时的系统设置...............................................................................32
3.13 先进无传感器系统开发...........................................................................................33
3.14 使用制动电阻时的系统设置...................................................................................34
3.14.1 如何对制动电阻运行配置 FOC 软件库.......................................................35
3.14.2 如何对制动电阻运行修改 MB459 板...........................................................35
3.15 调试工具的注意事项...............................................................................................36
4 库的入门 .....................................................37
4.1 库的配置文件：stm32f10x_MCconf.h.....................................................................37
4.2 驱动控制参数：MC_Control_Param.h.....................................................................40
4.3 增量编码器参数： MC_encoder_param.h...............................................................43
4.4 霍尔传感器参数: MC_hall_prm.h...........................................................................44
4.5 状态观测器参数: MC_State_Observer_param.h...................................................45
4.5.1 状态观测器参数.............................................................................................46
4.5.2 启动参数.........................................................................................................47
4.5.3 统计参数.........................................................................................................48
4.6 永磁同步电机（PMSM）参数：MC_PMSM_motor_param.h.......................................49
4.6.1 基本电机参数.................................................................................................49
4.6.2 无传感磁场定向控制（FOC）电机参数.......................................................50
4.6.3 弱磁运行的额外参数.....................................................................................50
4.6.4 IPMSM 驱动优化（MTPA）的额外参数..........................................................51
4.6.5 用于前馈、高性能电流控制的额外参数.....................................................51
5 函数库 .......................................................53
5.1 三相电阻拓扑电流采集和空间矢量 PWM 产生：stm32f10x_svpwm_3 shunt 模块53
5.1.1 可用函数列表.................................................................................................53
5.1.2 空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）运行.......................................................56
5.1.3 三相分流拓扑电流采集和通用 A/D 转换.....................................................58
5.1.4 三相分流电阻拓扑结构中调节延时参数和定子电流采集.........................59
5.2 单相电阻拓扑电流读取和空间矢量 PWM 产生： stm32f10x_svpwm_1shunt module
............................................................................................................................................63
5.2.1 可用函数列表.................................................................................................63
5.2.2 单相分流拓扑电流采集.................................................................................67
5.2.3 定义干扰参数和边界区域.............................................................................69
5.2.4 性能 ................................................................................................................71
5.3 隔离电流传感器读取和空间矢量的 PWM 产生：stm32f10x_svpwm_ics module.72
5.3.1 可用的函数列表和中断服务程序.................................................................72
5.3.2 隔离电流传感器拓扑和通用 A/D 转换的整合中电流采集.........................74
5.4 PMSM (SM-PMSM / IPMSM) 磁场定向控制：MC_FOC_Drive and MC_FOC_Methods 模
块 ........................................................................................................................................75
5.4.1 可用 C 函数列表.............................................................................................76
5.5 参考坐标转换： MC_Clarke_Park 模块.................................................................82
5.5.1 可用 C 函数列表.............................................................................................83
5.5.2 详解参考坐标系转换.....................................................................................85
5.5.3 循环限制.........................................................................................................87
5.6 编码器反馈处理：stm32f10x_encoder 模块......................................................88
5.6.1 可用函数列表和中断服务程序.....................................................................88
5.7 霍尔传感器反馈处理：stm32f10x_hall 模式........................................................91
5.7.1 可用函数列表.................................................................................................91
5.7.2 速度测量实施.................................................................................................93
5.7.3 电角度推算方法..............................................................................................96
5.8 无传感器速度/位置检测：MC_State_Observe 和 MC_State_Observer_Interface 模
块 ........................................................................................................................................96
5.8.1 可用 C 函数列表.............................................................................................96
5.9 PID 调节器：MC_PID_regulators 模块.................................................................100
5.9.1 可用函数列表...............................................................................................101
5.9.2 PID 调节器理论背景....................................................................................101
5.9.3 调节器采样时间设定...................................................................................102
5.9.4 电机频率与速度定义循环 Ki，Kp，Kd 的调节.........................................103
5.10 通用目的时间基准：stm32f10x_Timebase 模块................................................105
5.10.1 可用函数列表与中断服务程序.................................................................105
5.11 功率级核查: MC_MotorControl_Layer 模块......................................................107
5.11.1 函数列表.....................................................................................................107
5.12 主中断服务程序：stm32f10x_it module...........................................................110
5.12.1 非空中断服务程序列表.............................................................................110
附录 A 附加信息 ...............................................112
A.1 调节运行 FOC 算法相关负载...................................................................................112
A.2 基于单相或三相分流电阻配置的 PWM 频率选择更新重复频率...........................113
A.3 固定点数字代表 ......................................................................................................113
A.4 磁通和转矩电流 PI 增益优先决策.........................................................................114
A.5 调节电流调节器 ......................................................................................................116
A.6 静态观测增益优先策略...........................................................................................118
A.7 速度格式 ..................................................................................................................118
A.8 MMI（最大调制指数）：自动计算.........................................................................119
A.9 参考文献 ..................................................................................................................121
修订史 ........................................................122
www.st.com ..................................................124
