鄧鵬　唐文濤　羅靜　孫歆鈺

摘要：針對車用小型無刷直流電機轉速控制過程中存在超調量大、轉矩波動大和調速不平滑等問題，采用STM32F103C8T6單片機作為無刷直流電機的控制核心，并利用PID修正算法實現了車用小型直流無刷電機的轉速控制。為了增大無刷直流電機的調速范圍、減小系統(tǒng)靜差率，采用校正后的PID算法控制無刷直流電機的轉速，其特點是原理簡單、調速控制方便、性能穩(wěn)定。通過仿真和實驗驗證表明，采用PID校正后，電機抗干擾和動態(tài)控制能力大幅提升，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高，跟隨性強，超調量小，非常適合在負載突變頻繁的環(huán)境中工作。

關鍵詞：無刷直流電機；STM32F103C8T6單片機；PID校正；傳遞函數

中圖分類號：TP33? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1008-4657（2023）02-0001-08

0? ? ? ? 引言

隨著經濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車等交通工具在人們的日常生活中起著不可或缺的作用，其需求日益增長，然而市面上的小型車輛多以石油等不可再生的化石燃料為動力源，化石燃料燃燒時會產生二氧化碳以及有毒氣體，不僅加重溫室效應，還會產生霧霾等環(huán)境污染問題。近年來，無刷電機異軍突起。無刷電機性能優(yōu)良，在運行過程中不會對環(huán)境產生污染，且具有工作噪音小、轉化效率高、制造成本低等優(yōu)點。隨著交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，研發(fā)以無刷直流電機作為車用小型驅動力轉化來源的高性能小型車輛成為主流。

國外研究無刷直流電機比較早，經過幾十年的發(fā)展，無刷直流電機的控制技術逐漸趨于成熟［ 1-3 ］。國內對無刷直流電機控制技術的研究始于20世紀70年代，最開始主要集中在高校和研究所，到上個世紀80年代，無刷直流電機逐步應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。無刷直流電機不僅具有調速性能好、運行效率高等優(yōu)點，還具備交流電機的結構簡單、維護方便、運行可靠等性能，是小型車用驅動系統(tǒng)的理想動力轉化裝置?？紤]到實際安裝在小型車輛上的驅動電機工作環(huán)境復雜、工況多變，本設計通過引入先進的控制策略來提高直流無刷電機的控制性能。

1? ? ? ?小型無刷直流電機的工作原理及數學模型

1.1? ? ? ?小型無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機（簡稱BLDCM）由定子、轉子和機殼組成，是一種典型的機電一體化設備，它在結構上最大的特點是沒有碳刷。無刷直流電機容量范圍可達400? kW以上，電壓種類多、效率高、調速范圍廣。無刷直流電機磁場是由安裝有永磁鐵的內部運動部件的通電導體產生，定子由線圈組成，線圈通上直流電后，變成電磁鐵，電磁鐵的磁性會與轉子上的永磁鐵產生作用力，使電機運轉。

2.2.3? ? ? ? 設置模糊控制規(guī)則

PID控制器的3個參數值取值是根據直流電機轉速及其轉速誤差率得到的，根據工程經驗，可以得到合適的模糊規(guī)則表，如表1所示。

2.2.4? ? 解模糊化

經過模糊推理，得到的輸出是一個模糊集合，我們需要用確定的值對無刷電機進行控制，因此，還需要進行解模糊化。解模糊化就是將控制器輸出的不確定的量乘以比例因子，從而得到確定的值。

從以上模型可以看出，采用模糊PID算法，可以實時修正PID參數，使系統(tǒng)轉速控制更精確。

3? ? 系統(tǒng)控制硬件電路設計

本文所設計的直流無刷電機速度控制系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機進行控制，其硬件部件由STM32F103C8T6單片機、OLED12864液晶顯示屏、獨立鍵盤、直流無刷電機、復位電路、晶振電路等組成。STM32F103C8T6單片機性價比高，使用簡單，功能強大。系統(tǒng)工作時先通過按鍵設置功能，單片機通過定時器產生PWM脈沖信號，根據定時器產生的脈沖實現對電機控制，最終實現無刷電機的起動、停止、加速、減速以及方向的改變。在OLED12864液晶上顯示當前的無刷電機軸的轉速。無刷直流電機的轉速控制框圖如圖5所示。

3.1? ? 輔助電源電路設計

本系統(tǒng)使用的工作電壓為12 V，OLED12864顯示屏工作電壓為5 V，單片機的工作電壓為3.3 V［ 13-15 ］。整個系統(tǒng)采用12 V適配器供電，12 V電壓轉5 V和3.3 V電壓電路圖如圖6所示，通過LM2596芯片將12 V電壓轉成5 V電壓，再通過LM1117芯片將5 V轉成3.3 V，為了減小電磁干擾對輸入信號的干擾，在輸入端并聯(lián)兩個濾波電容。

3.2? ? OLED12864顯示電路的設計

作為新一代顯示技術，有機發(fā)光顯示技術（Ganic Light Eming Display）可實時顯示文字、漢字、圖片等信息。與普通LCD顯示屏相比，OLED在超輕薄，低功耗，高亮度，廣可視角度，自發(fā)光，快速響應等方面具有很大優(yōu)勢，在各種儀器儀表的顯示終端上得到了廣泛的應用。

本論文以OLED12864為OLED單色文字圖表顯示模塊，使用12 864行點陣，內具有64 × 64的顯示數據，各數據與OLED屏幕相對應，在某個一點暗狀態(tài)下進行亮暗。OLED12864接口電路和程序編寫簡單，數據接口為串行接口，可以方便的與STM32單片機連接。

3.3? ? 按鍵模塊的設計

由于本設計中所需要的按鍵并不多，采用3個獨立的按鍵即可，按鍵一個引腳直接接到單片機的GPIO口，另一個引腳接地，CPU通過GPIO口檢測按鍵狀態(tài)。三個獨立分別為KEY1、KEY2、KEY3，KEY1是轉換操作，操作方式為停止、正傳、反轉；按鍵KEY2用于控制無刷直流電機加速；按鍵KEY3用于控制無刷直流電機減速。

4? ? 系統(tǒng)軟件設計

本設計的軟件部分主要包括系統(tǒng)主程序、A/D轉換程序、數據顯示程序、數據通信程序和中斷服務程序等部分，為使直流無刷電機的轉速控制系統(tǒng)達到良好的效果，軟件設計過程中對程序進行了優(yōu)化。其中，主程序主要通過判斷按鍵掃描來完成電機控制；利用中斷模塊實時捕捉位置信號中斷情況，對轉子位置信息進行準確及時的檢測，確保電機運行正常。

主程序首先完成各個模塊的初始化，包括系統(tǒng)時鐘初始化、HAL庫初始化、GPIO初始化、上位機通訊協(xié)議初始化、調試串口初始化、目標速度初始化等，以保證各模塊的正常運行。主程序工作順序從上到下，當產生中斷時，將轉到中斷服務子程序處執(zhí)行，中斷服務程序執(zhí)行結束后再返回主程序，繼續(xù)向下執(zhí)行。主要程序工作流程如圖7所示。

STM32單片機具有強大的中斷功能，其每個GPIO口都可以設置成外部中斷功能，與GPIO口連接的外接中斷線達到16條。通過A/D采集電機轉速的流程要結果經過采樣、保持、量化、編碼四個步驟。該系統(tǒng)具有轉速、電流調節(jié)、故障保護等基本功能，利用中斷服務程序實現了無刷電機的控制。在進入中斷流程后，轉子的位置捕捉與A/D采樣中斷，位置捕捉中斷是通過檢測更好地實現馬達在轉子的位置上的換相，A/D采樣中斷目的是確保電流的穩(wěn)定輸出和閉環(huán)控制。本文的中斷程序模塊用來實時捕捉位置信號，針對系統(tǒng)發(fā)生故障的問題，通過硬件中斷保護系統(tǒng)，保證電機正常運轉。中斷程序模塊包括中斷方式采集轉速和電流、中斷服務子程序的A/D轉換和中斷服務子程序的霍爾電平變化。其中，霍爾電平變化起到連接程序在中斷程序中的關鍵程序的作用，實現換相轉矩脈動抑制。電機換相主要是通過改變控制寄存器，使PWM的輸出極性發(fā)生變化，從而對電機換相進行控制。

5? ? 系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)采用閉環(huán)式的控制，通過調整PWM的占空比來實現電機的旋轉速度。該系統(tǒng)采用了調試控制算法中的各參數，以實現控制的預測。為檢驗PI調整器的參數正確性，負載轉矩在初始時刻0 N·m，在0.2s時，將基準轉速調至1000 r/min，負載轉矩調調整為10 N·m，轉速波形和轉矩波形如圖8所示。

電機的輸出轉矩與轉速有很大關系，它是由無刷電機推導的數學模型計算得到的，所以通過轉速試驗。通過對無刷電機的空載轉速、負載轉速、空載轉矩和負載轉矩的關系測試，在空載和負載啟動時小車速度響應平滑、超調量小，同時具有轉矩大并且穩(wěn)定的特性。

6? ? 結束語

本文設計了一種以STM32F103C8T6單片機為控制核心的車用小型直流無刷電機轉速控制系統(tǒng)，根據直流無刷電機的特點建立了數學模型，通過校正后的PID算法，結合硬件和軟件設計以及電機轉速的控制，優(yōu)化設計了車用小型直流無刷電機的轉速控制系統(tǒng)。通過實驗分析，完成了PID校正算法的實現，使電機測速的應用得到了更多的應用，使得電機抗干擾和動態(tài)控制能力大幅提升，穩(wěn)態(tài)精度高，跟隨性強，無超調，方法可行，效果更優(yōu)，在負載突變頻發(fā)環(huán)境非常適合。

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［責任編輯：許立群］

Design of Speed Control System for Small

Brushless DC Motor in Vehicle

DENG Peng，TANG Wentao，LUO Jing，SUN Xinyu

（College of Electronic Information Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract： To aim at the problems of large overshoot， large torque fluctuation and uneven speed regulation in the speed control of small brushless DC motors for vehicles， this design uses STM32F103C8T6 single-chip microcomputer as the control core of brushless DC motors， and realizes the rotational speed control of small DC brushless motor for vehicles with PID correction algorithm. In order to increase the speed range of the brushless DC motor and reduce the static error rate of the system， this design uses the corrected PID algorithm to control the speed of the brushless DC motor. It is characterized by simple principle， convenient speed control and stable performance. The simulation and experimental validation show that the PID correction has significantly improved the anti-interference and dynamic control capabilities of the motor， and the system has high steady-state accuracy， strong followability， and small overshoot， which is very suitable for working in the environment with frequent load changes.

Key words：brushless DC motor；STM32F103C8T6 microcontroller；PID correction；transfer function

收稿日期：2023-02-02

基金項目：湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊項目（T2021028）；荊門市重大科技計劃項目（2022ZDYF017）；荊楚理工學院校級科研項目（YB202207）

作者簡介：鄧鵬（1981-），男，湖北荊門人，荊楚理工學院高級實驗師，碩士，主要研究方向：電機控制、電力電子與電力傳動、機器人工程。