無刷直流電機控制系統的硬件設計

辛燦祥

【摘 要】本文根據無刷直流電機的工作原理，設計了一套以STM32F103為主控制器的無刷直流電機控制系統的硬件。硬件部分主要完成了主電路、控制電路和驅動電路的設計；其中，主電路采用三相全橋電路；控制部分主要包含信號檢測和輸出電機的控制信號；驅動部分以IR2136為驅動芯片搭建三相全橋驅動電路，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制，實現無刷直流電機的驅動和控制。所設計硬件可產生無刷直流電機所需特定相位差的6路PWM輸出，并且配備了人機交互接口。

【關鍵詞】STM32 無刷直流電機 脈寬調制 人機交互

1 引言

無刷直流電機（Brushless DC Motor， BLDCM）是機電一體化設備，由電機本體、轉子位置傳感器、電子換相裝置（控制電路及功率逆變橋）三部分組成[1-4]。和有刷電機相比，位置傳感器相當于電刷，電子換相裝置相當于機械換向器。

STM32的主頻能滿足控制電路對單片機速度和性能的要求；其操作平臺廣闊，可縮短驅動系統和硬件原理圖的設計時間。同時，它內部的高級定時器time1和time8可輸出復雜的PWM，不需搭載復雜的外圍電路。

2 系統硬件設計

硬件部分主要包括主電路、控制電路和驅動電路。該系統的控制器以STM32F103RBT6為核心，處理電流和位置傳感器輸出的反饋信號，并作出判斷，發出相應指令驅動電機。除了主要部分以外，還有電源轉換電路，光電隔離電路，按鍵及液晶顯示接口電路等。

2.1主電路

主電路選用MOSFET三相全橋逆變電路。因為MOSFET 管承短時過載能力脆弱，需預防過高的柵極di/dt。由于驅動芯片的輸出阻抗較低，功率管若直接驅動，會引起功率管誤導通。因此需串聯一個幾十歐姆值的電阻在MOS管的柵極和MOS驅動器的輸出之間。

2.2功率驅動電路

IR2136是MOS功率器件專用門極驅動集成電路，該芯片只需要一個供電電源即可驅動三相橋式逆變電路，同時有6路驅動信號的輸出，簡化了系統的設計。在BLDCM控制系統中，控制器輸出的6路PWM脈沖信號輸入到IR2136，其中3路PWM信號驅動上橋臂，另外3路PWM信號驅動下橋臂。

2.3光電隔離電路

由于IR2136的故障輸出通道單一，無法清楚判斷故障類別，進而在上電過程中，可能使電路無法起動。引入光電隔離電路，將STM32產生的控制信號與功率驅動電路進行電氣隔離。

2.4電流檢測電路

電流檢測采用芯片ACS712。該芯片內部有霍爾傳感器電路，其路徑與晶片表面相鄰。銅制電流路徑產生的磁場可被集成霍爾IC感應，進一步優化了芯片的精確度。

2.5位置檢測電路

位置檢測采用BLDCM內部的霍爾位置傳感器，連接到STM32的通用I/O口上。通過讀取I/O口的電平狀態，可以判斷電機所處的位置。

2.6按鍵和液晶顯示電路設計

為了便于觀察直流無刷電機的運行狀態，同時對電機的轉速進行設定，做了包含按鍵和液晶顯示的人機交互接口。按鍵電路和液晶顯示電路分別如圖1（a）和（b）所示。按鍵電路采用上拉電阻的形式，低電平有效，表示按鍵按下。ON/OFF控制電機啟停，SET設定轉速，SHIFT為設定轉速時的移位操作，UP和DOWN用于調整轉速大小。液晶屏采用的是LCD1602，能夠顯示16列2行共32個字符，圖中PB1、PB0、PC5分別對應RS、RW、EN，剩余的8個引腳對應DB0-DB7共8位數據口。電位器用于調節液晶屏的對比度。

3 結語

本文設計的基于STM32的BLDCM控制系統的硬件電路符合應用要求，可達到控制BLDCM的要求。與基于傳統單片機設計的控制電路相比，該硬件電路結構簡單，成本較低，且性能優越。同時，本設計電路還配有人機交互界面，可直接觀察BLDCM的運行狀態。

參考文獻：

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