基于STM8S的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張俊賀， 殳國華， 李永鶴

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

直流無刷電機(jī)(BLDC motor)既有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又有直流電動機(jī)運(yùn)行效率高，調(diào)速特性好等優(yōu)勢，并且由于沒有機(jī)械換相的限制，容易做到小型化、重量輕、高轉(zhuǎn)速等特性，因此，在近年來直流無刷電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機(jī)系統(tǒng)[1，2]。其中，位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置信號，控制器對位置信號進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)的換相命令，由逆變器執(zhí)行，從而帶動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。

在直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置檢測器有兩種方法:有位置傳感器式和無位置傳感器式[3]。其中有位置傳感器式常用的有霍爾位置傳感器和光碼盤，雖然位置傳感器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它們的存在也不可避免地增加了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的體積及成本，所以在一些體積、重量或成本比較敏感的設(shè)計(jì)中，無位置傳感器式無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用。常用的無位置傳感器式位置檢測方法主要有反電動勢檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、三次諧波檢測法等。在文獻(xiàn)[4]中提出了一種利用線電壓來實(shí)時(shí)計(jì)算反電動勢的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識方法，該方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，不需要構(gòu)造電機(jī)中點(diǎn)、不需要反電動勢過零硬件檢測和深度濾波電路，但是該方法需要對線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并進(jìn)行大量運(yùn)算，這需要數(shù)字信號處理(DSP)芯片才能實(shí)現(xiàn)，而采用DSP芯片將會極大增加系統(tǒng)的成本。目前，反電動勢過零檢測法是無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算的主要方法[5-8]，傳統(tǒng)的反電動勢法大都采用端電壓與構(gòu)造的電機(jī)中點(diǎn)來間接得到反電動勢過零信號，一般采用硬件電路實(shí)現(xiàn)[9]。在本文中，采用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用比較成熟的反電動勢檢測法作為轉(zhuǎn)子位置的檢測方法。

1 直流無刷電機(jī)的運(yùn)行分析

直流無刷電機(jī)調(diào)速電路圖如圖1所示，在圖1中，上橋臂三個(gè)開關(guān)管 Q1、Q3、Q5采用 P溝道功率MOSFET，柵極電位低電平時(shí)導(dǎo)通;Q2、Q4、Q6采用 N溝道功率MOSFET，柵極電位高電平時(shí)導(dǎo)通，A、B、C為電機(jī)三相繞組。在圖1中，在由微控制器組成的控制系統(tǒng)的控制下，同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，通過控制開關(guān)管Q1～Q6中的兩個(gè)按照一定順序輪流導(dǎo)通，電機(jī)電樞同時(shí)有兩相通電，當(dāng)按表1所示順序輪流導(dǎo)通一周時(shí)，電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一周，電機(jī)的此種導(dǎo)通方式被稱為三相六狀態(tài)通電方式[10，11]。需要注意的是，同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管必須保留足夠的死區(qū)時(shí)間。

圖1 三相橋式逆變電路

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制策略

根據(jù)直流無刷電機(jī)的運(yùn)行原理，本文中所設(shè)計(jì)的直流無刷調(diào)速系統(tǒng)采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式，按照不同的導(dǎo)通次序可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及剎車功能。本控制系統(tǒng)中，速度調(diào)制采用電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)調(diào)速，調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖2所示。速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PID算法實(shí)現(xiàn)。在速度環(huán)中，將速度給定信號n*與速度反饋信號n作為速度調(diào)節(jié)器的輸入，速度調(diào)節(jié)器的輸出用作電流參考信號i*，與電流反饋信號一起作為輸入送到電流調(diào)節(jié)器，而電流調(diào)節(jié)器的輸出將作為PWM發(fā)生器的信號，用以控制輸出PWM信號的占空比，再通過逆變器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。需要說明的是，上述電流內(nèi)環(huán)所調(diào)節(jié)的其實(shí)就是電磁轉(zhuǎn)矩，除此之外，它還有過流保護(hù)等作用。

表1 開關(guān)管導(dǎo)通與電樞通電之間的關(guān)系

圖2 直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

直流無刷調(diào)速系統(tǒng)包括控制模塊、檢測模塊、通訊模塊及全橋逆變模塊。其中，控制模塊、檢測模塊以及通訊模塊可以由一個(gè)微控制器實(shí)現(xiàn)，在本調(diào)速系統(tǒng)中，采用目前非常流行的性價(jià)比較高的STM8S系列芯片作為本調(diào)速系統(tǒng)的微控制器芯片。STM8S系列微控制器是意法半導(dǎo)體公司采用130 nm技術(shù)，具有先進(jìn)的核架構(gòu)，在24 MHz主頻時(shí)，指令執(zhí)行速度高達(dá)20 MIPS，除此之外，該系列微控制器內(nèi)嵌有RC振蕩器、EEPROM、flash以及完善的外設(shè)[12]。該系列微控制器穩(wěn)定性和可靠性都非常高，運(yùn)算速度極快，完全可以實(shí)現(xiàn)PID算法的復(fù)雜計(jì)算。全橋逆變模塊由三支橋臂組成，如圖1所示。每一支橋臂均由1只N溝道MOS管和1只P溝道MOS管組成，其中，P溝道MOS管作為上橋臂，即圖1中的Q1、Q3、Q5;N溝道MOS管作為下橋臂，即圖1中的Q2、Q4、Q6。在本調(diào)速系統(tǒng)中，N溝道MOS管我們采用FDS8880，P溝道MOS管我們采用的是FDS6675。逆變模塊直流側(cè)電壓直接由直流電源供電。總體系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制模塊系統(tǒng)架構(gòu)圖

需要注意的是，由于我們采用的是三相六狀態(tài)通電方式，所以直流無刷電機(jī)在正常工作時(shí)每時(shí)每刻只有兩相通電，余下的第三相我們稱之為懸空相。反電動勢過零檢測轉(zhuǎn)子位置的方案，就是通過比較懸空相和中性點(diǎn)的電壓值來決定電機(jī)換相的時(shí)刻[13～15]。在圖3中，我們用模擬比較器LM339來達(dá)到這一目的。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，要合理利用微控制器的外設(shè)，在不影響實(shí)時(shí)性的情況下盡量多地對電流進(jìn)行采樣，從而達(dá)到實(shí)時(shí)過流保護(hù)的目的。在此前提下，還要實(shí)現(xiàn)微控制器通過UART與上位機(jī)的通信，為了防止通信受到干擾造成的微控制器誤動作，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)一臺上位機(jī)能控制多臺控制器，我們還設(shè)計(jì)了簡單的基于RS232協(xié)議的增強(qiáng)通信協(xié)議，如圖4所示。

圖4 基于RS232的增強(qiáng)通信協(xié)議框圖

本調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)性，必須充分利用微控制器強(qiáng)大的中斷處理能力:通過與模擬比較器輸出腳相連接的GPIO引腳中斷，確定換相時(shí)刻并進(jìn)行換相處理，我們稱之為換相中斷;上位機(jī)請求數(shù)據(jù)，通過UART中斷并完成收發(fā)數(shù)據(jù)的任務(wù)，稱之為串口中斷;通過ADC轉(zhuǎn)換完成中斷，實(shí)時(shí)檢測電流信息并進(jìn)行處理，稱之為ADC中斷;通過電流檢測器的過流信息產(chǎn)生GPIO中斷，可以做到實(shí)時(shí)保護(hù)，稱之為過流中斷。在所有的這些中斷中，過流中斷優(yōu)先級最高，其次為換相中斷，再次為ADC中斷，最后為串口中斷。而main()函數(shù)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，根據(jù)串口通信協(xié)議判斷需要執(zhí)行的命令，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制以及在等待中斷的時(shí)候觸發(fā)電流采樣。

特別要住的是，由于本調(diào)速系統(tǒng)采用的是無位置傳感器直流無刷電機(jī)，在啟動的時(shí)候轉(zhuǎn)速較小，難以檢測到符合要求的反電動勢信號，因此，無法得到正確的換相信息。為了能夠正常啟動，采用三段式啟動方法實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子定位、步進(jìn)啟動直到正常運(yùn)行[16-17]。

3 試驗(yàn)分析

根據(jù)以上方案，設(shè)計(jì)了圖5所示無位置傳感器式直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

圖5 基于STM8S的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)

基于以上直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用新西達(dá)2212三相永磁無刷電機(jī)作為被控對象，由以上控制系統(tǒng)分別連接上位機(jī)與該型號電機(jī)進(jìn)行聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)K圖如圖6所示。

圖6 直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)圖

對圖5所示的直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，得到的啟動波形如圖7所示。

圖7 電機(jī)啟動轉(zhuǎn)速-時(shí)間波形圖

4 結(jié)語

本控制系統(tǒng)已成功實(shí)現(xiàn)對新西達(dá)2212電機(jī)的空載及帶載(風(fēng)機(jī))試驗(yàn)，能成功執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的調(diào)速命令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)調(diào)速。本直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速效果好，動態(tài)響應(yīng)快，體積小，重量輕，成本低，非常適合于航模等自控性能要求較高的場合，具有廣泛的應(yīng)用空間及市場空間。

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