鄭 宏，張佳偉，徐文成

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

基于STM32的直流無(wú)刷電機(jī)正弦波控制系統(tǒng)

鄭 宏*，張佳偉，徐文成

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

將SVPWM正弦波控制技術(shù)應(yīng)用于BLDCM的驅(qū)動(dòng)控制，利用STM32芯片豐富的片上資源搭建控制系統(tǒng)，提出了逆變電路中上下橋臂功率管MOSFET的硬件驅(qū)動(dòng)方案，對(duì)轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)和電流閉環(huán)PI控制進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了SVPWM波的生成方法，并對(duì)該控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了具體闡述。通過(guò)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能測(cè)試，綜合驗(yàn)證了控制方案的穩(wěn)定性和可靠性。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；正弦波驅(qū)動(dòng)；空間矢量脈寬調(diào)制

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)BLDCM（Brushless DC Motor）既保留了有刷直流電機(jī)調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高等直流電機(jī)的特性，同時(shí)也避免了有刷直流電機(jī)的電刷和換向器的結(jié)構(gòu)缺陷。隨著無(wú)刷電機(jī)使用越來(lái)越普遍，其控制技術(shù)飛速發(fā)展［1］，就BLDCM的電子換相控制的模式而言，主要有方波和正弦波驅(qū)動(dòng)兩種。本文提出的正弦波空間矢量控制模式［2］具有運(yùn)行平滑、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)低、噪音小等優(yōu)勢(shì)，此模式也成為永磁同步電機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的研究熱門。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)主要是由 STM32（MCU）、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和BLDCM等組成，文中SVPWM控制系統(tǒng)通過(guò)霍爾位置傳感器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等處理，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的換相邏輯PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM指令控制逆變電路功率管得導(dǎo)通順序和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖

2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

逆變電路是硬件電路的主要部分，本文的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路［3］由分立元件設(shè)計(jì)構(gòu)成，與專用集成驅(qū)動(dòng)芯片相比，不但節(jié)約了成本，也方便維修，非常適用于電動(dòng)車控制器。本文設(shè)計(jì)的分立元件驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 主逆變電路功率管驅(qū)動(dòng)電路圖

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路分為上橋臂驅(qū)動(dòng)和下橋臂驅(qū)動(dòng)兩個(gè)對(duì)稱的部分，以A相電路為例，分別由PWM A+和PWM A-信號(hào)控制上下管柵極電壓。驅(qū)動(dòng)電路由電源電路提供的15 V供電，上橋臂的MOSFET漏極接主電源正極，源極接電機(jī)A相繞組，同時(shí)下橋臂MOSFET的漏極也接在A相繞組上，下橋臂的MOSFET源極接康銅采樣電阻。上、下橋臂驅(qū)動(dòng)電路不能共用15 V電源，這是由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)，相繞組平均電壓會(huì)升高，而上橋臂MOSFET的源極和相繞組連接，于是源極電壓就被抬高。要保證MOS?FET柵源極之間的電壓差穩(wěn)定在10 V～15 V不變，則要保證能夠同時(shí)升高柵極電壓。其中自舉電路實(shí)現(xiàn)上橋臂MOSFET柵極電壓升高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真研究

3.1 軟件整體結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的軟件部分［4］主要分為初始化子程序、主程序以及各個(gè)中斷子程序等，控制系統(tǒng)軟件部分整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

復(fù)位后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后初始化寄存器和相關(guān)變量，初始化子程序部分主要包括一些開機(jī)自檢事件如電源檢測(cè)、PWM的輸出、MOSFET的檢測(cè)等，進(jìn)入系統(tǒng)主程序，主程序主要處理一些實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)，而實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)，如轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)、電流采樣、和PWM信號(hào)產(chǎn)生等需要在中斷子程序中執(zhí)行，中斷程序的任務(wù)分配是根據(jù)系統(tǒng)中各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高低來(lái)確定的。

圖3 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 SVPWM子程序設(shè)計(jì)

根據(jù)前面章節(jié)的分析，基于SVPWM控制系統(tǒng)工作原理：首先將控制調(diào)速指令信號(hào)送至端口，然后將調(diào)速指令實(shí)時(shí)解算；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采集后傳輸至端口，然后將采集所得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理以便獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角，經(jīng)過(guò)調(diào)制后，根據(jù)控制算法給出的換相邏輯，使SVPWM模塊產(chǎn)生5段式PWM波［5］，控制驅(qū)動(dòng)電路完成對(duì)逆變電路中MOSFET的開通關(guān)斷控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。SVPWM調(diào)制程序流程如圖4所示。

圖4 SVPWM調(diào)制程序流程圖

3.3 電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)仿真研究

本文在Matlab/Simulink環(huán)境中建立模型，此模型是基于id=0的永磁無(wú)刷直流電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)，并對(duì)此進(jìn)行了仿真。根據(jù)上述系統(tǒng)理論分析，主要搭建的模塊有：反電勢(shì)波形為梯形波的永磁同步電機(jī)（無(wú)刷直流電機(jī)）的本體模塊、電流坐標(biāo)變換模塊、轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)PI調(diào)節(jié)模塊、電壓坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊和逆變電路模塊等。系統(tǒng)整體仿真模型如圖5所示。

3.3.1 電機(jī)本體模塊

電機(jī)本體仿真模塊如圖6所示。在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型中，電機(jī)模塊的主要作用是計(jì)算電機(jī)的電路和機(jī)械參數(shù)，包括電磁轉(zhuǎn)矩、相電流及反電動(dòng)勢(shì)等。仿真時(shí)可以利用仿真工具中的永磁同步電機(jī)模塊，在設(shè)置參數(shù)時(shí)將磁場(chǎng)設(shè)置為梯形波，將電機(jī)模型按照 BLDCM的原理［6］運(yùn)行。

圖5 仿真模型整體框圖

圖6 電機(jī)本體仿真模塊

3.3.2 SVPWM模型

根據(jù)電壓空間矢量控制基本原理，搭建SVPWM仿真模型，其中包括的子模型有：X、Y和Z的計(jì)算、時(shí)間T1、T2的確定、扇區(qū)判別等，SVPWM模塊總模型如圖7所示，扇區(qū)判別模型如圖8所示，時(shí)間X、Y和Z計(jì)算模型如圖9所示。

圖7 SVPWM總模型

圖8 扇區(qū)判別模型

圖9 時(shí)間X、Y和Z計(jì)算模型

3.3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)矢量控制系統(tǒng)的仿真［7］，得到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形如圖10所示?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，速度響應(yīng)靈敏、運(yùn)行穩(wěn)定且波動(dòng)小。三相相電流的波形是相位互差為120°的近似正弦波，如圖11所示。通過(guò)對(duì)坐標(biāo)變換分解所得電流分量id和對(duì)iq波形的監(jiān)測(cè)，可知：根據(jù)id=0控制策略，勵(lì)磁電流分量id在0附近變化；轉(zhuǎn)矩電流分量iq呈周期性變化趨勢(shì)，與數(shù)學(xué)模型中的轉(zhuǎn)矩方程以及轉(zhuǎn)矩波形相一致，如圖12所示。

圖10 SVPWM控制方式轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

圖11 三相相電流波形

圖12 id和iq波形

結(jié)合圖10～圖12可以看出，采用SVPWM控制永磁無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更小、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能更好。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及設(shè)備

搭建的試驗(yàn)平臺(tái)所用到主要設(shè)備和器件包括：本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器，輪轂式永磁無(wú)刷直流電機(jī)、ST-LINK型仿真器、計(jì)算機(jī)、示波器、電機(jī)帶載測(cè)試系統(tǒng)等，其中，圖13為測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，圖13所示為采用SVPWM控制技術(shù)的BLDCM控制器實(shí)物圖。

圖13 試驗(yàn)平臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)波形分析

圖14是電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，基于SVPWM控制下的三相電流波形，為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，三相電流互差120°與之前理論分析以及仿真結(jié)果一致。

圖14 基于SVPWM控制的三相電流波形

4.3 實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試

通過(guò)測(cè)功平臺(tái)［8］對(duì)本文中的永磁無(wú)刷直流電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)性能進(jìn)行性能測(cè)試。其中，試驗(yàn)樣機(jī)連接電動(dòng)車用輪轂式永磁無(wú)刷直流電機(jī)在測(cè)功平臺(tái)上運(yùn)行一段時(shí)間的負(fù)載特性曲線如圖15所示。

表1是電機(jī)負(fù)載特性曲線圖中的幾個(gè)最值點(diǎn)的參數(shù)，最值點(diǎn)包括：最高效率點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)及最大輸出功率點(diǎn)。所測(cè)參數(shù)是測(cè)功機(jī)提供的基本參數(shù)：電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、輸入功率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和效率。

圖15 電機(jī)負(fù)載特性曲線圖

表1 電機(jī)負(fù)載特性曲線中幾個(gè)最值點(diǎn)參數(shù)

測(cè)試前測(cè)功機(jī)設(shè)置為：1 s后開始加負(fù)載，加載量為2（N·m）/s。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為將電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)迅速升至最高轉(zhuǎn)速，測(cè)功機(jī)不斷加載，隨著負(fù)載越來(lái)越大，轉(zhuǎn)速不斷降低，直至降至0時(shí)，停止測(cè)試。

由圖15可以看出，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到600 rot/min，當(dāng)電機(jī)相電流在10 A～25 A之間，系統(tǒng)效率達(dá)到85%以上，說(shuō)明此時(shí)是電機(jī)運(yùn)行最佳狀態(tài)。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，可以觀察出系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，而且噪聲較低。由于設(shè)定限流值為26 A，負(fù)載繼續(xù)增大，電流保持穩(wěn)定。系統(tǒng)能夠輸出的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩約為62 N·m，表明了該電機(jī)控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的帶載能力。

5 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，將電機(jī)運(yùn)行速度從靜止拉至全速時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，且噪聲低；即使在運(yùn)行速度降至較低的情況下，系統(tǒng)仍保持相對(duì)平穩(wěn)的運(yùn)行，電機(jī)各特性曲線連續(xù)平滑。這些數(shù)據(jù)表明在永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用SVPWM控制技術(shù)的可行性，而且充分體現(xiàn)了其在使用過(guò)程中所具有的優(yōu)越的動(dòng)、靜態(tài)性能，電機(jī)噪音低、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn)。

［1］程抒一，施光林.基于SOC單片機(jī)C8051F022的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18（1）：146-149.

［2］肖納川，周力，肖鐸.基于模糊PID算法的電動(dòng)車電機(jī)控制器研究［J］.電源技術(shù)，2015（1）：144-146.

［3］程凱，孫鳳超.MOSFET驅(qū)動(dòng)電路類型的研究與測(cè)試［J］.今日電子，2013（5）：52-54.

［4］孟彥京，高筱筱，李林濤，等.基于STM32的軟起動(dòng)器程序設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2013，36（5）：685-689.

［5］戴鵬，吳斌，蘇良成，等.基于新型svpwm的npc/h橋五電平逆變器共模電壓抑制策略研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015（2）.

［6］Xiong X，Sun Y X，Zhu H Q，et al.Research on Drive and Control System of Bearingless Brushless DC Motor for Satellite Flywheel［C］//Applied Mechanics and Materials，2015，703：339-342.

［7］高延榮，舒志兵，耿宏濤.基于Matlab/Simulink的永磁同步電機(jī)（PMSM）矢量控制仿真［J］.機(jī)床與液壓，2008，36（7）：296-299.

［8］徐萍萍，宋建國(guó)，王雁峰，等.電力測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（6）：582-586.

鄭 宏（1965-），男，漢族，福建武夷山人，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮幼儞Q器、智能電網(wǎng)及分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)，zhenghong0511@sina.com；

張佳偉（1990-），男，漢族，江蘇南通人，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)刷直流電機(jī)控制，290396691@qq.com。

Sine Wave Brushless DC Motor Control System Based on STM32

ZHENG Hong*，ZHANG Jiawei，XU Wencheng
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

SVPWM control technology is applied to BLDCM drive control，the sine wave motor control system based on STM32，the hardware part concentrates on the inverter circuit with MOSFET driver，and the relevant research of rotor state and closed-loop current PI control.It illustrates the programming of the control system.After software sim?ulation and tests on experiment platform，the feasibility of integrated approach could be verified.

BLDCM；sin-wave current driving；SVPWM；STM32

STM32

A

1005-9490（2016）06-1521-06

8320

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.046

2015-09-24 修改日期：2015-10-20