基于STM32的無位置傳感器BLDCM控制系統設計

高正中+張曉燕+宋森森+李梓萌

摘 要： 通過對無刷直流電動機（BLDCM）工作原理分析，給出一種基于STM32無位置傳感器的BLDCM控制系統設計方法。采用硬件獲取換相點降低了對控制器性能的要求，該系統主要包括換相點檢測電路、電動機驅動電路、電流檢測及保護電路、通信接口等。采用速度和電流雙閉環控制，穩定了電動機的輸出轉矩，提高了電動機的響應速度。實驗結果表明該設計具有控制精度高、響應速度快、運行穩定可靠等特點。

關鍵詞： 反電動勢檢測； BLDCM； STM32； 閉環控制

中圖分類號： TN876?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0175?

0 引 言

BLDCM是隨著電子技術的發展而產生的一種新型電動機。其具有壽命長、轉矩慣量低、無需電刷換相，同時具有結構簡單、容易控制、調速性能好等特點，因此被廣泛應用于國防、機器人、采礦和化工等領域。BLDCM的控制，普遍采用專用集成芯片、高性能數字信號處理器及單片機。但是，專用集成芯片不能進行進一步擴展；高性能數字信號處理器（如DSP）外圍電路較為復雜，芯片價格較高。采用單片機控制，硬件電路較為簡單，可以滿足大部分場合的控制功能和處理速度[1]。本文采用STM32F103單片機作為主控芯片，不僅能夠滿足其控制性能，而且降低了成本。利用硬件電路直接獲取換相點降低了對控制器性能的要求，同時采用速度和電流雙閉環控制使整個系統具有良好的性能，可滿足大部分場合的應用。

1 原理分析

BLDCM轉子上無電刷但裝有永磁體，采用電子換相。6個功率MOS管組成的全橋電路，采用2?2兩相導通星型三相6狀態控制方式，即同一時刻只有2個MOS管處于導通狀態，并且同一橋臂上下MOS管不會同時導通，每個管子導電120°電角度，每60°電角度換相1次，電動機轉子旋轉一周功率管需要換相6次。

由于采用2?2通電控制方式，每個時刻都會有一相懸空，現有文獻[2?3]結果表明，反電動勢和換相點具有如圖1所示的關系，換相點滯后于懸空相的反電動勢過零點30°電角度。

在實際應用中，懸空相繞組的反電動勢是難以直接測取的，定子端電氣模型如圖2所示。假定此時a相是懸空的，那么可以得到：

[Vb=RIb+LdIbdt+Eb+Vn] （1）

[Vc=RIc+LdIcdt+Ec+Vn] （2）

[Va=Ea+Vn] （3）

每一時刻只有兩相繞組有電流通過，并且兩相電流大小相等、方向相反。因此可以得到：

[Ic=-Ib] （4）

由式（1）～式（3）得到：

[Va+Vb+Vc=Ea+Eb+Ec+3Vn] （5）

BLDCM的反電動勢波形如圖1所示。從圖1可看出，在反電勢過零點，這三個反電動勢的總和等于零。因此，最后方程可化簡為：

[Va+Vb+Vc=3Vn] （6）

由式（3）定子端電壓可以寫成如下形式：

[Ea=Va-Vn] （7）

則：

[3Ea=3Va-3Vn] （8）

由式（8）可知，對于無霍爾傳感器的BLDCM通過計算懸空相繞組的端電壓和三相中心點電壓即可得到懸空相反電動勢。

2 系統硬件設計

本文設計的BLDCM控制系統采用STM32F103作為主控制器，系統主要包括電動機驅動電路、反電動勢檢測電路、電流檢測及過流保護電路等。硬件系統原理組成框圖如圖3所示。

控制器STM32F103是基于ARM位的Cortex?M3的微控制器，其最高工作頻率達72 MHz，在存儲器等待周期訪問時可達1.25 DMips/MHz，具有單周期乘法和硬件除法功能，并且具有豐富的定時器功能，STM32適合低成本的電力電子系統方面的應用開發。

電動機驅動電路選用集成驅動芯片IR2101，簡化了系統結構，穩定可靠、速度快、精度高，MOS管采用耐壓值為75 V、最大通流達110 A的N溝道MOS管IRF3205。以a相為例，每相的驅動電路如圖4所示。

由第1節的式（8）可知要獲取電動機每相轉子的反電動勢需要求取每相的端電壓和星形連接的三相繞組的中性點電壓Vn，反電動勢過零點即為端電壓和中性點電壓相等的時刻，所以通過比較器硬件電路即可得到反電動勢過零點，由于電動機運行中三相繞組端電壓和中性點電壓都會很大，最大值會達到電源電壓，所以設計了分壓電路，經過分壓后的三相端電壓分別輸入三個比較器的同向輸入端，中性點電壓送入三個比較器的反向輸入端，經過比較器電路，如圖5所示。

電流檢測及過流保護電路，如圖6所示。

電動機的工作電流經采樣電阻轉換成電壓信號，經過由精密放大器LMV611構成的同向比例運算放大電路放大之后，輸入給單片機進行A/D采樣，作為電流閉環控制的電流反饋信號，同時接入比較器LM393的同向輸入端，比較器反向輸入端為保護閾值設為1 V，即過流保護的閾值設置為12.5 A，當電動機工作電流超過12.5 A時比較器輸出高電平，通過或非門74HC02封鎖三相逆變器下橋臂導通信號，達到保護驅動電路和電動機的目的。

3 系統軟件設計

在BLDCM換相過程中，其動態模型會因為電流和轉矩的變化、PWM調壓等因素的影響而產生實變和非線性，造成轉矩和轉速的脈動，嚴重的話，有可能會使電動機無法正常運行。必須對這些影響因素進行消除或者抑制。系統采用速度和電流雙閉環控制，實現了穩定電動機的輸出轉矩，提高了電動機的響應速度。速度和電流雙環控制框圖如圖7所示。

系統控制程序流程如圖8所示。首先在主程序中初始化滴答時鐘作為系統時基，初始化TIM2并使能其中斷，初始化反電動勢過零點采集的I/O口外中斷，之后系統進入主循環，在后臺循環中主要完成電動機的過流保護、電動機運行模式的設定和電動機速度的給定等任務，在I/O口外中斷服務程序中，主要是采集硬件獲取的三相反電動勢過零點時刻，進而控制逆變器各橋臂MOS管的導通關斷情況來控制BLDCM完成換相，同時通過STM32系統滴答時鐘計數器，獲取a，b兩相（隨意兩相即可）相鄰兩次反電動勢過零點的時間差值，該差值即為電動機運行[16]圈所需時間，求出電動機速度作為電動機實際運行速度的反饋。在TIM2中斷服務程序中，完成速度PI閉環控制；通過A/D通道讀取電動機工作電流，速度環的輸出作為電流控制環的輸入，完成電流閉環PID控制。

4 BLDCM實驗測試

直流BLDCM控制系統實物圖如圖9所示。

對BLDCM進行實際測試，設置不同的運行速度，用示波器捕獲的三相端電壓和反電動勢過零點波形如圖10 和圖11所示。

5 結 語

通過實際測試證明，該控制器能夠較好地實現電機的啟停、調速。硬件反電動勢過零點檢測降低了對控制器性能的要求，編程簡單易于維護，降低了開發成本與周期。該控制器具有響應速度快，輸出轉矩穩定、控制精度高，運行安全可靠等特點。

參考文獻

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