高正中+張曉燕+宋森森+李梓萌

摘 要： 通過(guò)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）工作原理分析，給出一種基于STM32無(wú)位置傳感器的BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。采用硬件獲取換相點(diǎn)降低了對(duì)控制器性能的要求，該系統(tǒng)主要包括換相點(diǎn)檢測(cè)電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)及保護(hù)電路、通信接口等。采用速度和電流雙閉環(huán)控制，穩(wěn)定了電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有控制精度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)； BLDCM； STM32； 閉環(huán)控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN876?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0175?

0 引 言

BLDCM是隨著電子技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型電動(dòng)機(jī)。其具有壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩慣量低、無(wú)需電刷換相，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制、調(diào)速性能好等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、機(jī)器人、采礦和化工等領(lǐng)域。BLDCM的控制，普遍采用專(zhuān)用集成芯片、高性能數(shù)字信號(hào)處理器及單片機(jī)。但是，專(zhuān)用集成芯片不能進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展；高性能數(shù)字信號(hào)處理器（如DSP）外圍電路較為復(fù)雜，芯片價(jià)格較高。采用單片機(jī)控制，硬件電路較為簡(jiǎn)單，可以滿足大部分場(chǎng)合的控制功能和處理速度[1]。本文采用STM32F103單片機(jī)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(diǎn)降低了對(duì)控制器性能的要求，同時(shí)采用速度和電流雙閉環(huán)控制使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的性能，可滿足大部分場(chǎng)合的應(yīng)用。

1 原理分析

BLDCM轉(zhuǎn)子上無(wú)電刷但裝有永磁體，采用電子換相。6個(gè)功率MOS管組成的全橋電路，采用2?2兩相導(dǎo)通星型三相6狀態(tài)控制方式，即同一時(shí)刻只有2個(gè)MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且同一橋臂上下MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)管子導(dǎo)電120°電角度，每60°電角度換相1次，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(gè)時(shí)刻都會(huì)有一相懸空，現(xiàn)有文獻(xiàn)[2?3]結(jié)果表明，反電動(dòng)勢(shì)和換相點(diǎn)具有如圖1所示的關(guān)系，換相點(diǎn)滯后于懸空相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)30°電角度。

在實(shí)際應(yīng)用中，懸空相繞組的反電動(dòng)勢(shì)是難以直接測(cè)取的，定子端電氣模型如圖2所示。假定此時(shí)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(shí)刻只有兩相繞組有電流通過(guò)，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(dòng)勢(shì)波形如圖1所示。從圖1可看出，在反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，這三個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的總和等于零。因此，最后方程可化簡(jiǎn)為：

[Va+Vb+Vc=3Vn] （6）

由式（3）定子端電壓可以寫(xiě)成如下形式：

[Ea=Va-Vn] （7）

則：

[3Ea=3Va-3Vn] （8）

由式（8）可知，對(duì)于無(wú)霍爾傳感器的BLDCM通過(guò)計(jì)算懸空相繞組的端電壓和三相中心點(diǎn)電壓即可得到懸空相反電動(dòng)勢(shì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的BLDCM控制系統(tǒng)采用STM32F103作為主控制器，系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路、電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路等。硬件系統(tǒng)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(dá)72 MHz，在存儲(chǔ)器等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)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(shí)器功能，STM32適合低成本的電力電子系統(tǒng)方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2101，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定可靠、速度快、精度高，MOS管采用耐壓值為75 V、最大通流達(dá)110 A的N溝道MOS管IRF3205。以a相為例，每相的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

由第1節(jié)的式（8）可知要獲取電動(dòng)機(jī)每相轉(zhuǎn)子的反電動(dòng)勢(shì)需要求取每相的端電壓和星形連接的三相繞組的中性點(diǎn)電壓Vn，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)即為端電壓和中性點(diǎn)電壓相等的時(shí)刻，所以通過(guò)比較器硬件電路即可得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中三相繞組端電壓和中性點(diǎn)電壓都會(huì)很大，最大值會(huì)達(dá)到電源電壓，所以設(shè)計(jì)了分壓電路，經(jīng)過(guò)分壓后的三相端電壓分別輸入三個(gè)比較器的同向輸入端，中性點(diǎn)電壓送入三個(gè)比較器的反向輸入端，經(jīng)過(guò)比較器電路，如圖5所示。

電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路，如圖6所示。

電動(dòng)機(jī)的工作電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)由精密放大器LMV611構(gòu)成的同向比例運(yùn)算放大電路放大之后，輸入給單片機(jī)進(jìn)行A/D采樣，作為電流閉環(huán)控制的電流反饋信號(hào)，同時(shí)接入比較器LM393的同向輸入端，比較器反向輸入端為保護(hù)閾值設(shè)為1 V，即過(guò)流保護(hù)的閾值設(shè)置為12.5 A，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作電流超過(guò)12.5 A時(shí)比較器輸出高電平，通過(guò)或非門(mén)74HC02封鎖三相逆變器下橋臂導(dǎo)通信號(hào)，達(dá)到保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和電動(dòng)機(jī)的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在BLDCM換相過(guò)程中，其動(dòng)態(tài)模型會(huì)因?yàn)殡娏骱娃D(zhuǎn)矩的變化、PWM調(diào)壓等因素的影響而產(chǎn)生實(shí)變和非線性，造成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)，嚴(yán)重的話，有可能會(huì)使電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。必須對(duì)這些影響因素進(jìn)行消除或者抑制。系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度。速度和電流雙環(huán)控制框圖如圖7所示。

系統(tǒng)控制程序流程如圖8所示。首先在主程序中初始化滴答時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)基，初始化TIM2并使能其中斷，初始化反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)采集的I/O口外中斷，之后系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)，在后臺(tái)循環(huán)中主要完成電動(dòng)機(jī)的過(guò)流保護(hù)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式的設(shè)定和電動(dòng)機(jī)速度的給定等任務(wù)，在I/O口外中斷服務(wù)程序中，主要是采集硬件獲取的三相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，進(jìn)而控制逆變器各橋臂MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷情況來(lái)控制BLDCM完成換相，同時(shí)通過(guò)STM32系統(tǒng)滴答時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，獲取a，b兩相（隨意兩相即可）相鄰兩次反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差值，該差值即為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行[16]圈所需時(shí)間，求出電動(dòng)機(jī)速度作為電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度的反饋。在TIM2中斷服務(wù)程序中，完成速度PI閉環(huán)控制；通過(guò)A/D通道讀取電動(dòng)機(jī)工作電流，速度環(huán)的輸出作為電流控制環(huán)的輸入，完成電流閉環(huán)PID控制。

4 BLDCM實(shí)驗(yàn)測(cè)試

直流BLDCM控制系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示。

對(duì)BLDCM進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，設(shè)置不同的運(yùn)行速度，用示波器捕獲的三相端電壓和反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)波形如圖10 和圖11所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試證明，該控制器能夠較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停、調(diào)速。硬件反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)降低了對(duì)控制器性能的要求，編程簡(jiǎn)單易于維護(hù)，降低了開(kāi)發(fā)成本與周期。該控制器具有響應(yīng)速度快，輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、控制精度高，運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。

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