PMSM制御のための設定例(STM32)

概要

PMSMの制御を行う為には、相電流を検出する必要がある。電流検出の際には、PWMリプル除去性能や、回路トポロジーによる検出可能領域の観点から、PWMに同期したサンプリングが多く利用されている。

ここでは以下の条件のもと、電流検出の為のTIM及びADC設定例を紹介する。

動作条件

環境

  • MotorDriverBoard : X-NUCLEO-IHM08M1 (3シャント電流検出)
  • MCU : STM32G431 (NUCLEO-G431RB)
  • Code Generator : CubeMX Version:5.4.0

仕様

  • PWMキャリア周期 : 20kHz
  • TIMカウントアップ周期 : 170MHz
  • TIM周期 : 65535 Count/Rev

ピン配置仕様

  • PWM u相出力 : PA8
  • PWM u相相補出力 : PA7
  • PWM v相出力 : PA9
  • PWM v相相補出力 : PB0
  • PWM w相出力 : PA10
  • PWM w相相補出力 : PB1
  • PWM ADCトリガ出力 : PA11
  • ADC u相入力 : PA0
  • ADC v相入力 : PC1
  • ADC w相入力 : PC0
  • ADC DCLink入力 : PA1

PWMとADCトリガタイミング

今回の構成例の概略図を次に示す。

SystemOverview

この構成では、下アームがONの時に相電流がシャント抵抗を通過する。

この事を考慮し、電流検出可能領域は次のようになる。

ADCtiming

また、これを電圧ベクトルとして表示したものが次の図である。

Voltage

一辺の長さがDCLink電圧であるVdcV_{dc}の正六角形(出力可能範囲)に対して、内接する円は半径が 32Vdc\frac{\sqrt{3}}{2} V_{dc} である。

空間ベクトル変調を利用し、過変調領域を使用しない場合には、この内接円にて電圧を制限する。 この制限により、電圧検出可能領域内に出力となるPWMは侵入せず、必ず下アームが導通した状態となる。

換言すれば、3シャント電流検出では、過変調領域を除いた領域で電流検出が可能である。

この電流検出可能領域で3相全てのアナログ値をサンプリングすることが重要であり、本説での目標となる。

供給クロックの確認

TIM設定

次のように設定する。

TIM1 Mode and Configuration - Mode

  • Channel1 : PWM Generation CH1 CH1N
  • Channel2 : PWM Generation CH2 CH2N
  • Channel3 : PWM Generation CH3 CH3N
  • Channel4 : PWM Generation CH4

この設定により、CH1～CH3の出力ピンより相補PWMが出力される。 TIM4の設定は、ADCの動作トリガに利用する。

TIM1 Mode and Configuration – Configuration – Parameter Setting

Counter Setting

タイマの周期等を決定する、カウンタに関する設定項目である。

  • Prescaler : 0
  • Counter Period : "TODO"
  • Counter Mode : Center Aligned mode 1
  • Repetition Counter : 1

Prescalerはカウンタレジスタの値が足りない時に設定する。今回は0とする。

Counter PeriodはPWMの周期を設定する。(Counter Modeの設定により周期が変化する事に注意する。)今回は20kHzとするため、8499に設定する。このとき値の計算は、20k[Hz]170M[Hz]−1\frac{20 \mathrm{k} \mathrm{[Hz]}}{170 \mathrm{M} \mathrm{[Hz]}} - 1で求める。

Counter ModeはPWMキャリアの波形を設定する。のこぎり波又は三角波から設定できる。 Center Aligned mode 1の場合には、三角波となる。

Repetition Counterでは、Duty等のPWM設定を更新するタイミングを設定する。今回はPWMキャリアの山でのみDutyの更新をしたいため、1とする。

Trigger Output(TRGO) Parameters

外部へ出力するトリガ信号の設定項目の項目である。ここでは2つのトリガを設定する。

  • Trigger Event Selection TRGO : Update Event
  • Trigger Event Selection TRGO2 : Output Compare(OC4REF)

Trigger Event Selection TRGOではUpdate Eventを選択する。
Trigger Event Selection TRGO2ではOutput Compare(OC4REF)を選択する。今回はこれをADCのトリガとして利用する。

Break And Dead Time management - Output Configuration

  • Dead Time : n

必要に応じてデッドタイムの設定をする。

PWM Generation Channel 1 and 1N

  • Mode : PWM mode 1

PWM Generation Channel 2 and 2N

  • Mode : PWM mode 1

PWM Generation Channel 3 and 3N

  • Mode : PWM mode 1

PWM Generation Channel 4

  • Mode : PWM mode 2

PWM modeによりPWMの極性を反転できる。普通はPWM mode 1を使用する。 Channel 4では、ADCへのトリガ出力のために、反転出力のPWM mode 2を設定する。

ADC設定

ADC1 Mode and Configuration - Mode

対応したピンのADCを有効化する。

  • IN1 : IN1 Single-ended
  • IN7 : IN7 Single-ended
  • IN6 : IN6 Single-ended
    これらが電流検出に関するADCピンである。
  • IN2 : IN2 Single-ended
    これはDCLink電圧の測定に関するADCピンである。

ADC1 Mode and Configuration - Configuration - Parameter Settings

ADC_Injected_ConversionMode

ここでは外部割り込みに対する設定をする。

  • Enable Injected Conversions : Enable
  • Number Of Conversions : 4
  • External Trigger Source : Timer1 Trigger Out event 2
  • External Trigger Conversion Edge : Trigger detection on the rising edge
  • Rank 1 Channel : Channel 1
  • Rank 1 Sampling Time : 12.5 Cycles
  • Rank 2 Channel : Channel 7
  • Rank 2 Sampling Time : 12.5 Cycles
  • Rank 3 Channel : Channel 6
  • Rank 3 Sampling Time : 12.5 Cycles
  • Rank 4 Channel : Channel 2
  • Rank 4 Sampling Time : 12.5 Cycles

Number Of Conversionsは、外部トリガにより駆動するチャンネル数を設定する。
今回の設定"4"では、トリガ信号を検出した後に
Rank1 -> Rank2 -> Rank3 -> Rank4
と逐次的にAD変換する。

External Trigger Sourceは、外部トリガを選択する。
今回はTIM1のTrigger Event Selection TRGO2をトリガとしたいため、Timer1 Trigger Out event 2とする。

Sampling Timeには、ADCの変換時間を設定する。今回は12.5Cyclesとした。
ここはMCUやドライバ側の出力インピーダンスに依存して最低時間が変動する。
そのため、MCUのデータシートにある制約を守りつつ、実験的に決定するのが良い。

ADC1 Mode and Configuration - Configuration - NVIC Settings

ここではADCの変換完了時の割り込みについて設定する。

  • ADC1 and ADC2 global interrupt : enable (チェック)
    この設定により、AD変換の完了時に割り込みを生成する。
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