基于STM32的无位置传感器BLDCM控制系统设计

2016-12-26高正中张晓燕宋森森李梓萌

现代电子技术 2016年22期

高正中+张晓燕+宋森森+李梓萌

摘要：通过对无刷直流电动机（BLDCM）工作原理分析，给出一种基于STM32无位置传感器的BLDCM控制系统设计方法。采用硬件获取换相点降低了对控制器性能的要求，该系统主要包括换相点检测电路、电动机驱动电路、电流检测及保护电路、通信接口等。采用速度和电流双闭环控制，稳定了电动机的输出转矩，提高了电动机的响应速度。实验结果表明该设计具有控制精度高、响应速度快、运行稳定可靠等特点。

关键词：反电动势检测； BLDCM； STM32；闭环控制

中图分类号： TN876?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0175?

0 引言

BLDCM是随着电子技术的发展而产生的一种新型电动机。其具有寿命长、转矩惯量低、无需电刷换相，同时具有结构简单、容易控制、调速性能好等特点，因此被广泛应用于国防、机器人、采矿和化工等领域。BLDCM的控制，普遍采用专用集成芯片、高性能数字信号处理器及单片机。但是，专用集成芯片不能进行进一步扩展；高性能数字信号处理器（如DSP）外围电路较为复杂，芯片价格较高。采用单片机控制，硬件电路较为简单，可以满足大部分场合的控制功能和处理速度[1]。本文采用STM32F103单片机作为主控芯片，不仅能够满足其控制性能，而且降低了成本。利用硬件电路直接获取换相点降低了对控制器性能的要求，同时采用速度和电流双闭环控制使整个系统具有良好的性能，可满足大部分场合的应用。

1 原理分析

BLDCM转子上无电刷但装有永磁体，采用电子换相。6个功率MOS管组成的全桥电路，采用2?2两相导通星型三相6状态控制方式，即同一时刻只有2个MOS管处于导通状态，并且同一桥臂上下MOS管不会同时导通，每个管子导电120°电角度，每60°电角度换相1次，电动机转子旋转一周功率管需要换相6次。

由于采用2?2通电控制方式，每个时刻都会有一相悬空，现有文献[2?3]结果表明，反电动势和换相点具有如图1所示的关系，换相点滞后于悬空相的反电动势过零点30°电角度。

在实际应用中，悬空相绕组的反电动势是难以直接测取的，定子端电气模型如图2所示。假定此时a相是悬空的，那么可以得到：

[Vb=RIb+LdIbdt+Eb+Vn] （1）

[Vc=RIc+LdIcdt+Ec+Vn] （2）

[Va=Ea+Vn] （3）

每一时刻只有两相绕组有电流通过，并且两相电流大小相等、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的反电动势波形如图1所示。从图1可看出，在反电势过零点，这三个反电动势的总和等于零。因此，最后方程可化简为：

[Va+Vb+Vc=3Vn] （6）

由式（3）定子端电压可以写成如下形式：

[Ea=Va-Vn] （7）

则：

[3Ea=3Va-3Vn] （8）

由式（8）可知，对于无霍尔传感器的BLDCM通过计算悬空相绕组的端电压和三相中心点电压即可得到悬空相反电动势。

2 系统硬件设计

本文设计的BLDCM控制系统采用STM32F103作为主控制器，系统主要包括电动机驱动电路、反电动势检测电路、电流检测及过流保护电路等。硬件系统原理组成框图如图3所示。

控制器STM32F103是基于ARM位的Cortex?M3的微控制器，其最高工作频率达72 MHz，在存储器等待周期访问时可达1.25 DMips/MHz，具有单周期乘法和硬件除法功能，并且具有丰富的定时器功能，STM32适合低成本的电力电子系统方面的应用开发。

电动机驱动电路选用集成驱动芯片IR2101，简化了系统结构，稳定可靠、速度快、精度高，MOS管采用耐压值为75 V、最大通流达110 A的N沟道MOS管IRF3205。以a相为例，每相的驱动电路如图4所示。

由第1节的式（8）可知要获取电动机每相转子的反电动势需要求取每相的端电压和星形连接的三相绕组的中性点电压Vn，反电动势过零点即为端电压和中性点电压相等的时刻，所以通过比较器硬件电路即可得到反电动势过零点，由于电动机运行中三相绕组端电压和中性点电压都会很大，最大值会达到电源电压，所以设计了分压电路，经过分压后的三相端电压分别输入三个比较器的同向输入端，中性点电压送入三个比较器的反向输入端，经过比较器电路，如图5所示。

电流检测及过流保护电路，如图6所示。

电动机的工作电流经采样电阻转换成电压信号，经过由精密放大器LMV611构成的同向比例运算放大电路放大之后，输入给单片机进行A/D采样，作为电流闭环控制的电流反馈信号，同时接入比较器LM393的同向输入端，比较器反向输入端为保护阈值设为1 V，即过流保护的阈值设置为12.5 A，当电动机工作电流超过12.5 A时比较器输出高电平，通过或非门74HC02封锁三相逆变器下桥臂导通信号，达到保护驱动电路和电动机的目的。

3 系统软件设计

在BLDCM换相过程中，其动态模型会因为电流和转矩的变化、PWM调压等因素的影响而产生实变和非线性，造成转矩和转速的脉动，严重的话，有可能会使电动机无法正常运行。必须对这些影响因素进行消除或者抑制。系统采用速度和电流双闭环控制，实现了稳定电动机的输出转矩，提高了电动机的响应速度。速度和电流双环控制框图如图7所示。

系统控制程序流程如图8所示。首先在主程序中初始化滴答时钟作为系统时基，初始化TIM2并使能其中断，初始化反电动势过零点采集的I/O口外中断，之后系统进入主循环，在后台循环中主要完成电动机的过流保护、电动机运行模式的设定和电动机速度的给定等任务，在I/O口外中断服务程序中，主要是采集硬件获取的三相反电动势过零点时刻，进而控制逆变器各桥臂MOS管的导通关断情况来控制BLDCM完成换相，同时通过STM32系统滴答时钟计数器，获取a，b两相（随意两相即可）相邻两次反电动势过零点的时间差值，该差值即为电动机运行[16]圈所需时间，求出电动机速度作为电动机实际运行速度的反馈。在TIM2中断服务程序中，完成速度PI闭环控制；通过A/D通道读取电动机工作电流，速度环的输出作为电流控制环的输入，完成电流闭环PID控制。

4 BLDCM实验测试

直流BLDCM控制系统实物图如图9所示。

对BLDCM进行实际测试，设置不同的运行速度，用示波器捕获的三相端电压和反电动势过零点波形如图10 和图11所示。

5 结语

通过实际测试证明，该控制器能够较好地实现电机的启停、调速。硬件反电动势过零点检测降低了对控制器性能的要求，编程简单易于维护，降低了开发成本与周期。该控制器具有响应速度快，输出转矩稳定、控制精度高，运行安全可靠等特点。

参考文献

[1] 张升，王立峰，王爽.基于STM8S105的直流永磁无刷电动机控制器设计[J].工业控制计算机，2012，25（9）：123?124.

[2] 杨影，俞志轩，阮毅.基于反电动势的无刷直流电机无位置传感器控制技术综述[J].微电机，2011，44（2）：84?88.

[3] 王强，王友仁，王岭.无位置传感器无刷直流电机闭环起动方法[J].电机与控制学报，2013，17（11）：41?46.

[4] 林明耀，周谷庆，刘文勇.基于直接反电动势法的无刷直流电机准确换相新方法[J].东南大学学报（自然科学版），2010，40（1）：89?94.

[5] 李小清，骆传旺，沈祖英，等.高速无刷直流电机无传感器控制[J].微电机，2014，47（5）：31?35.

[6] 夏长亮，方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术学报，2012，27（3）：25?34.