基于STM32的直流無刷電機正弦波控制系統

鄭 宏，張佳偉，徐文成

（江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212013）

基于STM32的直流無刷電機正弦波控制系統

鄭 宏*，張佳偉，徐文成

（江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212013）

將SVPWM正弦波控制技術應用于BLDCM的驅動控制，利用STM32芯片豐富的片上資源搭建控制系統，提出了逆變電路中上下橋臂功率管MOSFET的硬件驅動方案，對轉子位置狀態和電流閉環PI控制進行研究，詳細分析了SVPWM波的生成方法，并對該控制系統的軟件實現過程進行了具體闡述。通過軟件仿真和實驗平臺性能測試，綜合驗證了控制方案的穩定性和可靠性。

無刷直流電動機；正弦波驅動；空間矢量脈寬調制

無刷直流電動機BLDCM（Brushless DC Motor）既保留了有刷直流電機調速范圍寬、啟動轉矩大、運行效率高等直流電機的特性，同時也避免了有刷直流電機的電刷和換向器的結構缺陷。隨著無刷電機使用越來越普遍，其控制技術飛速發展［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動兩種。本文提出的正弦波空間矢量控制模式［2］具有運行平滑、轉矩波動低、噪音小等優勢，此模式也成為永磁同步電機（PMSM）驅動領域的研究熱門。

1 系統的總體設計方案

直流無刷電機控制系統硬件原理圖如圖1所示。

整個系統主要是由 STM32（MCU）、逆變電路、驅動電路、檢測電路和BLDCM等組成，文中SVPWM控制系統通過霍爾位置傳感器獲取電機轉子位置信號，再對信號進行A/D轉換等處理，計算電機轉速和位置進行PI調節，同時輸出對應的換相邏輯PWM信號，驅動電路根據PWM指令控制逆變電路功率管得導通順序和時間，實現對電機的調速控制。

圖1 總體設計方案框圖

2 系統驅動電路硬件設計

逆變電路是硬件電路的主要部分，本文的MOSFET驅動電路［3］由分立元件設計構成，與專用集成驅動芯片相比，不但節約了成本，也方便維修，非常適用于電動車控制器。本文設計的分立元件驅動電路如圖2所示。

圖2 主逆變電路功率管驅動電路圖

MOSFET驅動電路分為上橋臂驅動和下橋臂驅動兩個對稱的部分，以A相電路為例，分別由PWM A+和PWM A-信號控制上下管柵極電壓。驅動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A相繞組，同時下橋臂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、下橋臂驅動電路不能共用15 V電源，這是由于電機運行時，相繞組平均電壓會升高，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定在10 V～15 V不變，則要保證能夠同時升高柵極電壓。其中自舉電路實現上橋臂MOSFET柵極電壓升高。

3 系統軟件設計及仿真研究

3.1 軟件整體結構圖

控制系統的軟件部分［4］主要分為初始化子程序、主程序以及各個中斷子程序等，控制系統軟件部分整體結構如圖3所示。

復位后首先對系統進行初始化，然后初始化寄存器和相關變量，初始化子程序部分主要包括一些開機自檢事件如電源檢測、PWM的輸出、MOSFET的檢測等，進入系統主程序，主程序主要處理一些實時性要求不高的任務，而實時性要求較高的任務，如轉子位置信號檢測、電流采樣、和PWM信號產生等需要在中斷子程序中執行，中斷程序的任務分配是根據系統中各項指標對實時性要求高低來確定的。

圖3 系統軟件整體結構圖

3.2 SVPWM子程序設計

根據前面章節的分析，基于SVPWM控制系統工作原理：首先將控制調速指令信號送至端口，然后將調速指令實時解算；電機轉子位置信號采集后傳輸至端口，然后將采集所得轉子位置信號進行計算處理以便獲得當前轉子位置角，經過調制后，根據控制算法給出的換相邏輯，使SVPWM模塊產生5段式PWM波［5］，控制驅動電路完成對逆變電路中MOSFET的開通關斷控制，從而實現電機的調速運行。SVPWM調制程序流程如圖4所示。

圖4 SVPWM調制程序流程圖

3.3 電機SVPWM控制系統仿真研究

本文在Matlab/Simulink環境中建立模型，此模型是基于id=0的永磁無刷直流電機SVPWM控制系統，并對此進行了仿真。根據上述系統理論分析，主要搭建的模塊有：反電勢波形為梯形波的永磁同步電機（無刷直流電機）的本體模塊、電流坐標變換模塊、轉速環和電流環PI調節模塊、電壓坐標變換模塊、SVPWM模塊和逆變電路模塊等。系統整體仿真模型如圖5所示。

3.3.1 電機本體模塊

電機本體仿真模塊如圖6所示。在整個控制系統的仿真模型中，電機模塊的主要作用是計算電機的電路和機械參數，包括電磁轉矩、相電流及反電動勢等。仿真時可以利用仿真工具中的永磁同步電機模塊，在設置參數時將磁場設置為梯形波，將電機模型按照 BLDCM的原理［6］運行。

圖5 仿真模型整體框圖

圖6 電機本體仿真模塊

3.3.2 SVPWM模型

根據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的計算、時間T1、T2的確定、扇區判別等，SVPWM模塊總模型如圖7所示，扇區判別模型如圖8所示，時間X、Y和Z計算模型如圖9所示。

圖7 SVPWM總模型

圖8 扇區判別模型

圖9 時間X、Y和Z計算模型

3.3.3 仿真結果分析

通過對矢量控制系統的仿真［7］，得到轉矩、轉速響應波形如圖10所示?？梢钥闯鲛D矩脈動小，速度響應靈敏、運行穩定且波動小。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。通過對坐標變換分解所得電流分量id和對iq波形的監測，可知：根據id=0控制策略，勵磁電流分量id在0附近變化；轉矩電流分量iq呈周期性變化趨勢，與數學模型中的轉矩方程以及轉矩波形相一致，如圖12所示。

圖10 SVPWM控制方式轉矩和轉速響應波形

圖11 三相相電流波形

圖12 id和iq波形

結合圖10～圖12可以看出，采用SVPWM控制永磁無刷直流電機，電機運行平穩、轉矩波動更小、系統的動態性能更好。

4 系統實驗結果與分析

4.1 實驗平臺以及設備

搭建的試驗平臺所用到主要設備和器件包括：本文設計的電機控制器，輪轂式永磁無刷直流電機、ST-LINK型仿真器、計算機、示波器、電機帶載測試系統等，其中，圖13為測試試驗平臺，圖13所示為采用SVPWM控制技術的BLDCM控制器實物圖。

圖13 試驗平臺

4.2 實驗波形分析

圖14是電機穩態運行時，基于SVPWM控制下的三相電流波形，為標準正弦波，三相電流互差120°與之前理論分析以及仿真結果一致。

圖14 基于SVPWM控制的三相電流波形

4.3 實驗性能測試

通過測功平臺［8］對本文中的永磁無刷直流電機SVPWM控制系統性能進行性能測試。其中，試驗樣機連接電動車用輪轂式永磁無刷直流電機在測功平臺上運行一段時間的負載特性曲線如圖15所示。

表1是電機負載特性曲線圖中的幾個最值點的參數，最值點包括：最高效率點、最大轉矩點及最大輸出功率點。所測參數是測功機提供的基本參數：電壓、電流、轉矩、輸入功率、輸出功率、轉速和效率。

圖15 電機負載特性曲線圖

表1 電機負載特性曲線中幾個最值點參數

測試前測功機設置為：1 s后開始加負載，加載量為2（N·m）/s。實驗過程為將電機從靜止狀態迅速升至最高轉速，測功機不斷加載，隨著負載越來越大，轉速不斷降低，直至降至0時，停止測試。

由圖15可以看出，電機最高轉速可達到600 rot/min，當電機相電流在10 A～25 A之間，系統效率達到85%以上，說明此時是電機運行最佳狀態。在實際測試過程中，可以觀察出系統運行相對平穩，而且噪聲較低。由于設定限流值為26 A，負載繼續增大，電流保持穩定。系統能夠輸出的最大負載轉矩約為62 N·m，表明了該電機控制系統有很強的帶載能力。

5 結語

試驗測試過程中，將電機運行速度從靜止拉至全速時，系統運行相對平穩，且噪聲低；即使在運行速度降至較低的情況下，系統仍保持相對平穩的運行，電機各特性曲線連續平滑。這些數據表明在永磁無刷直流電機控制系統應用SVPWM控制技術的可行性，而且充分體現了其在使用過程中所具有的優越的動、靜態性能，電機噪音低、轉矩波動小、運行平穩。

［1］程抒一，施光林.基于SOC單片機C8051F022的直流電機伺服系統［J］.傳感技術學報，2005，18（1）：146-149.

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

［3］程凱，孫鳳超.MOSFET驅動電路類型的研究與測試［J］.今日電子，2013（5）：52-54.

［4］孟彥京，高筱筱，李林濤，等.基于STM32的軟起動器程序設計［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］.電機與控制學報，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（PMSM）矢量控制仿真［J］.機床與液壓，2008，36（7）：296-299.

［8］徐萍萍，宋建國，王雁峰，等.電力測功機動態測試平臺系統［J］.北京工業大學學報，2007，33（6）：582-586.

鄭 宏（1965-），男，漢族，福建武夷山人，江蘇大學電氣信息工程學院教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為大功率電力電子變換器、智能電網及分布式發電與儲能技術，zhenghong0511@sina.com；

張佳偉（1990-），男，漢族，江蘇南通人，江蘇大學電氣信息工程學院碩士研究生，主要研究方向為無刷直流電機控制，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