基于STM32的無刷直流電機控制系統(tǒng)*

童宏偉， 張莉萍， 申景雙， 解 大， 陳宇晨

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201600；2.上海海維工業(yè)控制有限公司，上海 201499；3.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 201100)

0 引 言

無刷直流(brushless DC,BLDC)電機是一種永磁同步電機。其轉(zhuǎn)子為永磁體，定子是按照星型方式連接起來的三個線圈，對這三個線圈不斷轉(zhuǎn)換通電，使得轉(zhuǎn)子跟隨者定子磁場不斷變化而轉(zhuǎn)動，通過這種方法實現(xiàn)了電子換向代替了傳統(tǒng)電機的機械換向，具有效率高，響應(yīng)快，噪音小等優(yōu)點[1]。BLDC電機已經(jīng)在越來越多的行業(yè)廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)其無刷直流電機原理以及特點設(shè)計了一種基于STM32的電機控制系統(tǒng)。詳細介紹了其硬件電路組成，包括驅(qū)動電路、隔離電路、位置檢測電路、電流采樣電路等。在硬件電路基礎(chǔ)上分析軟件實現(xiàn)方案。最終，通過實驗驗證該系統(tǒng)的可行性。

1 BLDC電機工作原理

BLDC電機主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，固定在電機周圍的電樞繞組作為定子，電機中心永磁體為轉(zhuǎn)子，對定子通電會產(chǎn)生電磁場，使得轉(zhuǎn)子N極指向磁場方向。改變定子通電順序，磁場方向不斷改變，定子則跟隨磁場方向不斷轉(zhuǎn)動[2]。定子三相繞組A,B,C以星型方式分別連接到三相橋式逆變電路中三個橋臂，控制開關(guān)管的通斷對三相繞組中的任意兩相不斷轉(zhuǎn)換通電，霍爾位置傳感器確定各個開關(guān)管導(dǎo)通順序，保證磁場方向與電機定子N極方向垂直，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。換相控制電路根據(jù)霍爾傳感器信號控制開關(guān)管導(dǎo)通[3]。每個周期內(nèi)開關(guān)管按順序?qū)ǎD(zhuǎn)子跟隨定子磁場方向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了無刷直流電機的轉(zhuǎn)動。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)硬件電路主要包括STM32控制電路、基于IR2136驅(qū)動芯片的驅(qū)動電路、三相全橋逆變電路、隔離電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、鍵盤電路以及顯示電路。BLDC電機總控制系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)STM32微處理器產(chǎn)生6路脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號，經(jīng)過隔離芯片將信號傳輸給IR2136驅(qū)動電路， IR2136驅(qū)動芯片根據(jù)PWM控制6個MOSFET的通斷，實現(xiàn)對電機三相繞組轉(zhuǎn)換通電[4]。三電阻電流采樣電路檢測電機電流信號并反饋給STM32微處理器，實時調(diào)節(jié)電流保證電機的安全穩(wěn)定運行。霍爾位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，STM32微處理器捕捉其反饋脈沖信號，判斷出轉(zhuǎn)子正確位置，輸出對應(yīng)PWM信號換相控制。同時可根據(jù)霍爾位置信號計算轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)速反饋，檢測實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速比較，采用模糊PI控制算法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速[5]。通過改變STM輸出PWM信號占空比可改變電壓，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。隔離電路為保障電路的穩(wěn)定性和抗干擾性而設(shè)計，主要用于 6路PWM信號通過隔離芯片傳入驅(qū)動芯片，采集轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過隔離芯片傳入STM32微處理器。鍵盤電路通過按鍵控制設(shè)置給定轉(zhuǎn)速。顯示電路可通過LCD顯示屏顯示給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速，用于實驗數(shù)據(jù)采集。

圖1 BLDC電機控制系統(tǒng)

2.1 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路由驅(qū)動芯片IR2136和逆變電路構(gòu)成。如圖2為驅(qū)動電路圖。

圖2 驅(qū)動電路

三相全橋逆變電路上橋臂連接+24 V直流電源，下橋臂連接GND。IR2136驅(qū)動芯片工作電壓為+15 V，電源引腳VCC連接+15 V電源，VCC與三路高端浮置電源電壓引腳Vb1,Vb2,Vb3分別連接3個快速恢復(fù)二極管D1,D2,D3防止電流倒灌，同時與高端浮置電源偏移電壓引腳Vs1、Vs2、Vs3之間連接自舉電容C1,C2,C3，保證電容上有足夠的儲能來驅(qū)動MOSFET的導(dǎo)通[6]。STM32微處理器輸出6路PWM信號經(jīng)過隔離電路傳輸?shù)津?qū)動芯片HIN1,HIN2,HIN3,LIN1,LIN2,LIN3輸入引腳，由輸出引腳HO1,HO2,HO3,HO4,HO5,HO6輸出至MOSFET，控制其導(dǎo)通和關(guān)斷。

2.2 電流檢測電路

本次控制系統(tǒng)電機電流檢測采用三電阻采樣法，該方法采樣精度較高且成本低。如圖3所示，在主電路中第一個橋臂下串聯(lián)一個采樣電阻，輸出電流信號由采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，采用高精度運算放大器LM324將電壓信號放大，通過差分放大抑制共模輸入信號，增加電路抗干擾性，抑制外界環(huán)境對電路影響，保證輸出電壓穩(wěn)定在0～3.3 V之間。同樣分別在第二個橋臂和第三個橋臂放置采樣電阻，完成三電阻采樣。

圖3 電流檢測電路

2.3 位置檢測電路

BLDC電機內(nèi)部集成3只霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，系統(tǒng)運行時，STM32微處理器根據(jù)反饋的位置信號發(fā)送對應(yīng)觸發(fā)信號控制MOSFET通斷[7]。如圖4所示為位置檢測電路，J2為控制板與霍爾傳感器信號線接口，VCC為位置檢測電路提供+5V電源，霍爾傳感器信號分別為HA，HB，HC，R28與C18，R29與C17，R30與C16組成RC濾波器濾除干擾信號，最終反饋給控制電路。同時根據(jù)霍爾傳感器信號可計算電機轉(zhuǎn)速，每個周期內(nèi)3只霍爾傳感器的高低電平信號為001，101，100，110，010，011，表示電機轉(zhuǎn)動1圈[8]。

圖4 位置檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32作為控制芯片，軟件設(shè)計在Keil MDK環(huán)境運行，用C語言編寫模糊PI控制算法代碼，實現(xiàn)電流反饋、轉(zhuǎn)速反饋雙閉環(huán)控制。系統(tǒng)軟件主要包括主程序和中斷程序設(shè)計。

3.1 主程序設(shè)計

主程序主要包括各個模塊的初始化，系統(tǒng)初始化，事件管理初始化，I/O口初始化，中斷管理初始化。主程序按照順序模式往下進行，遇見中斷程序優(yōu)先運行中斷程序，中斷程序結(jié)束后再運行主程序[9]。

3.2 中斷程序設(shè)計

BLDC電機控制系統(tǒng)的功能，包括電流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、故障保護等基本依靠中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。中斷程序主要包含轉(zhuǎn)子位置捕獲中斷、電流A/D采樣中斷、系統(tǒng)保護中斷等[10]。位置捕獲中斷是為了檢測轉(zhuǎn)子位置而實現(xiàn)電機換相，A/D采樣中斷是為了保證電壓電流的穩(wěn)定輸出實現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)保護中斷主要是針對系統(tǒng)發(fā)生故障通過硬件中斷保護系統(tǒng)[11]。圖5為核心控制功能，電流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷程序流程圖。

圖5 中斷程序設(shè)計

4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述硬件電路原理設(shè)計系統(tǒng)控制板，通過Jlink仿真器將程序?qū)懭隨TM32控制芯片，搭建實驗測試平臺，驗證該系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，本設(shè)計采用的電機參數(shù)設(shè)置：額定功率60 W，額定電壓24 V，額定電流3.3 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

設(shè)置電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，啟動電機，記錄LCD顯示的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，使用MATLAB繪制轉(zhuǎn)速曲線圖6。

圖6 速度響應(yīng)曲線

從圖中可以看出，電機轉(zhuǎn)速從0到運行速度3 000 r/min直至穩(wěn)定只需1.2 s，運行過程中超調(diào)量為7 %，說明設(shè)計的BLDC電機控制系統(tǒng)控制精度高，且響應(yīng)速度快。

同時設(shè)置不同轉(zhuǎn)速，運行速度達到穩(wěn)定時，記錄LCD顯示屏上不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的實際轉(zhuǎn)速。

5 結(jié) 論

通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，電機運行的實際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相差很小，平均誤差不到3 rad/min，說明該控制系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下運行穩(wěn)定性。綜上實驗數(shù)據(jù)表明，本次設(shè)計的無刷直流電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了電流反饋，轉(zhuǎn)子位置反饋的雙閉環(huán)控制，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采用模糊PID控制算法，對電機轉(zhuǎn)速控制精度高，超調(diào)量更小，響應(yīng)速度更快。