基于STM32和ET1100的无刷直流电机控制器设计*

刘 通，崔业兵

(上海航天控制技术研究所·上海·201109)

0 引 言

无刷直流电机具有效率高、寿命长、噪声低、转速高、体积小等特点，在工业、日常生活及高科技领域中迅速得到了广泛的应用[1]。另一方面，随着工业领域自动化进程的发展，自动化进程对现场总线的数据传输能力、实时性等都提出了更高的要求。将以太网应用于工业自动化领域，使生产设备智能化、规模化、网络化，是必然的趋势。

本文设计了一款高精度、高性能的无刷直流电机控制系统，并详细介绍了其外围接口的电路设计。以STM32作为控制核心，其具有低功耗、外设丰富的优点。充分利用其专为电机驱动而设计的高级定时器TIM1/TIM8，通过驱动芯片IR2136输出6路PWM驱动信号，驱动功率MOSFET三相逆变电路，实现对无刷直流电机的控制。为增强控制器的通用性和实用性，本设计引入了EtherCAT以太网现场总线技术。在EtherCAT的设计中，通常采用SPI串行接口实现其与微处理芯片之间的数据传输，其数据处理能力较弱，传输速率也受到了很大的限制[2]。为了能够充分发挥EtherCAT的优越性能，文中采用了STM32微处理器芯片特有的FSMC机制，设计了EtherCAT并行接口电路，实现并行读写EtherCAT模块内存，大大提高控制系统的实时性能。

1 总体设计

控制器主要由STM32主控电路、驱动电路、逆变电路、检测电路及EtherCAT通信电路等组成，系统框图如图1所示。该控制器采用Hpwm_Lon的驱动方式控制由功率MOSFET组成的三相全桥逆变器的导通与关断，并根据不同的导通次序和通电状态实现电动机的正反转和启停控制。当电机运行时，霍尔接口电路采集换向信号，在将信号进行处理后将信号送入STM32通用定时器接口，并将其作为换向信息；ADC接口电路通过精密采样电阻采集母线电流的大小信息，实现对电动机的过流保护。根据霍尔信号和反电动势过零点信号解算出速度，采用速度PID闭环控制方式，通过改变PWM的占空比，实现对速度的调节控制。

图1 控制系统的硬件框图Fig.1 Control system hardware structure figure

微处理器STM32通过相应的控制算法处理系

统反馈速度及电流信号，生成相应的控制指令，以触发高级定时器，并最终输出6路PWM控制信号给由功率MOSFET组成的逆变驱动电路，驱动无刷直流电机系统。同时，利用EtherCAT接口电路和上位机进行交互通信，将电机运行的速度、位置等信息显示在上位PC机上，上位PC机也可通过该接口向控制器发送控制指令。

2 硬件方案设计

2.1 驱动电路设计

为了简化系统结构，驱动电路选用六输出高压栅极驱动器IR2136。该驱动器是由功率MOSFET和IGBT组成的专用栅极集成驱动电路，可以驱动工作母线电压高达600V的功率开关器件[2]。该器件与主电路共地运行，且只需1路控制电源，克服了常规控制器需要多路隔离电源的缺点。该驱动器采用自举技术，其内部3个独立的高压侧和低压侧输出通道可输出六路功率开关器件的驱动脉冲，实现对由功率MOSFET组成的三相全桥逆变器的最优驱动，使整个驱动电路的设计得以优化。同时，驱动芯片具有过流保护功能，在系统触发保护信号时可封锁输出的六路驱动信号。

如图2所示，HIN1～HIN3、LIN1～LIN3分别为经过光耦隔离输出的计算六路PMW信号，是逆变器上、下桥臂驱动信号的入端；HO1～HO3、LO1～LO3为逆变器上、下桥臂的驱动输出端。D1～D3是自举快恢复二极管，其主要作用是防止上桥臂导通时母线电压被加到IR2136的电源上，进而导致器件损坏；C1～C3是自举电容，其主要作用是为上桥臂MOS管驱动的悬浮电源存储能量；上述两者共同组成自举电路驱动高压侧MOSFET。自举电容C1～C3给高压侧提供悬浮电源Vbs，该悬浮电源为IR2136的Vb和Vs管脚之间的电压差。1个半桥高压侧MOSFET在导通前需要先对自举电容充电，当自举电容两端的电压超过阈值电压(即MOSFET栅极开启电压)时，高压侧MOSFET导通。

IR2136具有过流和欠压故障报警功能，当系统过流或欠压时，其FAULT管脚输出的低电平可作为故障报警信号。

图2 IR2136驱动电路Fig.2 Driving circuit figure of IR2136

逆变电路的作用是将动力直流电源转换为可驱动无刷电机运行的三相交流电源，其中栅极串联电阻可改变MOSFET的开关速度，其阻值可根据调试情况选定，一般的阻值为30Ω左右。

2.2 EtherCAT通信电路

EtherCAT通信主要由微处理器STM模块和EtherCAT模块两部分构成：STM 模块主要解析通信信息，实现控制指令的生成；EtherCAT模块负责实现协议中物理层和数据链路层之间的通信。本设计采用了工业以太网从站控制专用芯片ET1100，该芯片主要负责数据链路层部分，通过硬件机制完成主、从站之间的数据交换。微处理器采用STM32芯片，主要负责应用层协议[3]，如图3所示。

图3 EtherCAT通信电路Fig.3 EtherCAT communicate circuit figure

2.2.1 FSMC接口设计

STM32F103ZET6是基于Cortex-M3核心的32位微控制器，具备芯片集成定时器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多种功能，包含512KB片内FLASH和64KB片内RAM，支持可兼容SRAM、NOR和NAND Flash接口的16位总线FSMC。

FSMC是STM32系列的一种特有的存储控制机制，可以并行读写任意一种外部存储器，是一种非常灵活的外部存储器读写方法。

基于上述特点，本设计以STM32F103ZET6为微处理器模块，以ET1100芯片为EtherCAT控制器模块，并在两模块间采用了FSMC和MCI接口进行通信[4]。其中，微处理器模块FSMC中的BANK1的区域3负责控制ET1100，其有效地址空间为0x68000000～0x68003000。

2.2.2 PDI接口设计

EtherCAT模块中与微处理器相连的接口被称为物理设备接口(简称PDI接口)，该接口具有串行传输和并行传输两种方式。其中，串行方式主要是指SPI方式，并行传输方式有16位异步、8位异步、16位同步、8位同步等方式，各个类型可由相关寄存器进行配置。ET1100支持3种PDI(过程数据接口)：32位数字量IO、串行接口SPI、8/16位异步/同步微处理器接口MCI。其中，SPI和MCI用于连接外部CPU，组成从站系统。

ET1100并行总线接口有多种选择，包括地址线和数据线是否复用、传输数据是8位或16位，以及同步/异步操作模式的选择等，如图4所示。本设计以STM32为微控制器，令PDI控制寄存器0x0140=0x08，设置ET1100为16位异步接口[5]。STM控制模块提供16位地址线、16位数据线和8位控制线，分别对应ET1100的地址线、数据线和控制线，该接口为微处理器接口(简称为MCI)。

图4 STM32和ET1100硬件接口电路Fig.4 Access circuit of STM32 and ET1100

2.3 霍尔接口电路

霍尔位置传感器是无刷直流电机转子的位置检测装置，呈空间角度相差120°放置，其输出的3个位置信号的高低电平相互覆盖，脉冲宽度为180°，相位相差120°。通过三相霍尔信号的相位顺序可以实现转子位置的测量，并解算出转速。转子位置与霍尔信号的关系如下

(1)

由于霍尔位置传感器采用集电极开路输出，其输出信号须经过上拉电阻处理得到位置方波信号。如图5所示，R4～R6为上拉电阻，R1～R3分别与C1～C3构成滤波电路。电机转子的位置信息由HALL_A～HALL_C接入STM32的通用定时器进行采集和处理。当检测到输出信号发生上升沿和下降沿电平跳变时，此时刻便为无刷直流电机的换相时刻。

图5 霍尔传感器的接口电路Fig.5 Hall access circuit

2.4 电流检测接口电路

控制器采用在逆变器直流侧串接无感电阻的方式，检测流过电机的电流，通过闭环控制避免电机启动电流过大或过载运行，从而实现对电机的保护。无感电阻两端电压经过滤波、跟随、偏置、反相后被送入STM32的12位A/D转换模块，转变为数字量的电流信号，成为反馈信号并供控制程序处理。当电流检测值超过允许值时，控制程序将封锁PWM输出，直至故障解除。

3 控制器的软件设计

主程序主要完成GPIO、ADC模块、PWM模块、FSMC模块、定时器1、定时器2等初始化工作。其中，定时器1边沿中断服务程序检测霍尔传感器的边沿信号，并进行编码，以控制六路PWM控制信号的输出，从而驱动功率MOSFET的导通与关断，实现无刷电机的通电与换相；定时器1定时中断服务程序，用于启动时电机的通电与换相；定时器2用于检测给定电压的大小，从而计算电机的转速和进行速度的调节。

软件设计的主控制程序流程图如图6所示，先执行初始化程序，STM32控制器在接收到来自工业以太网发送的启动指令后进入启动程序，采用“三段式”启动法，随后电机进入正常的闭环运转状态。

图6 程序流程图Fig.6 Program flowchart

4 结 论

本文详细描述了一款具有EtherCAT以太网功能的无刷直流电机控制器的硬件设计实现方案，其驱动系统集成了无刷直流电机速度控制、工业以太网通讯及驱动电路等，可实现对无刷直流电机的控制。通过霍尔位置传感器检测转子的位置信息，该控制器可实现速度PID闭环控制，从而进行转速调节控制；通过实时检测母线电流，并进行闭环控制，可避免电机启动电流过大或过载运行，为电机提供保护。基于STM32微处理器特有的FSMC功能及ET1100的MCI接口，可实现两者之间的并行通信；相比传统的SPI接口，该方案很好地解决了数据处理和传输速率相对降低、不能充分发挥EtherCAT通信协议卓越性能的问题。