基于STM32的無刷直流電機控制系統(tǒng)研究

王 聰

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

電機能實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，其應用遍及現(xiàn)代經(jīng)濟社會的每一個環(huán)節(jié)。在眾多類型電機中，無刷直流電機因具有較快的動態(tài)響應能力、良好的調(diào)速性能以及相對較長使用壽命，與有刷直流電機和交流電機相比，有著更高的使用價值[1-2]，比如汽車制造領(lǐng)域用來驅(qū)動空調(diào)風機的電機。在航空航天領(lǐng)域，無刷直流電機應用于陀螺儀、機械臂、高速離心泵和攝像機等設(shè)備。在家用電器領(lǐng)域，日本90%以上的空調(diào)產(chǎn)品中，異步電機被無刷直流電機所取代。此外，無刷直流電機還應用于CD、VCD、DVD機等產(chǎn)品中。在辦公領(lǐng)域，電腦、數(shù)碼相機、復印機、傳真機和碎紙機等產(chǎn)品中也應用了無刷直流電機[3]。

無刷直流電機控制系統(tǒng)綜合了有刷直流電機和異步電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點。隨著稀土永磁材料技術(shù)的發(fā)展和電子器件性能的提高，無刷直流電機控制系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)中，比如醫(yī)療器械、紡織機械、印刷機械和數(shù)控機床等行業(yè)。目前很多國家的半導體廠商都開發(fā)出無刷直流電機控制專用的集成電路，此類電路構(gòu)成的控制器結(jié)構(gòu)簡單、外圍器件少、性價比更高，但在使用時功能不全面，不利于產(chǎn)品后期的變化和升級。因此，有必要通過軟硬件結(jié)合來搭建無刷直流電機控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體方案

STM32系列產(chǎn)品以其高性能低功耗的特點在嵌入式領(lǐng)域被廣泛應用，它的高級定時器能夠輸出帶有死區(qū)時間的三路互補PWM波形，恰好用以控制直流無刷電機，并且相較于DSP，STM32的價格更低廉，因此設(shè)計基于STM32F407進行。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

控制無刷直流電機的一般步驟是：控制器通過霍爾傳感器反饋的信號判斷電機轉(zhuǎn)子當前所在的位置，以此控制三相橋驅(qū)動電路中開關(guān)管的通斷。開關(guān)管通斷的連續(xù)變化使電機內(nèi)形成變化的磁場，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[4]。同時，控制器還要通過調(diào)節(jié)PWM占空比來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，使電機按特定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)在工作時，由STM32F407發(fā)出6路PWM信號，經(jīng)過隔離器件傳輸給由IR2110S構(gòu)成的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路根據(jù)PWM信號控制6個開關(guān)管的通斷，形成旋轉(zhuǎn)磁場，使電機轉(zhuǎn)動。霍爾傳感器的反饋信號通過隔離芯片傳遞給STM32，供其判斷轉(zhuǎn)子位置，從而實施換向操作。此外STM32還可通過霍爾信號計算轉(zhuǎn)速，然后將實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速對比，通過PID控制算法調(diào)節(jié)PWM的占空比，亦即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，最終使電機按設(shè)定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)[5－6]。鍵盤電路通過按鍵可控制電機的啟動、停止、加速、減速和正反轉(zhuǎn)。上位機也可控制電機的啟停，還能給定速度值和PID值，同時顯示實際轉(zhuǎn)速的變化曲線，方便PID參數(shù)的整定。

在實際應用中，電機要按照需要的速度穩(wěn)定運行，并且速度調(diào)節(jié)過程應該迅速而平穩(wěn)，這在開環(huán)系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的，因此需采取運動控制系統(tǒng)常用的PID控制算法對速度進行閉環(huán)控制。PID控制就是對偏差進行比例、積分、微分控制，也就是誤差控制。比例部分（P）用于縮小實際轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速的偏差，P越大偏差降低越快，但是為了避免系統(tǒng)振蕩，P的取值不能過大。積分部分（I）是對速度偏差的累加，直到偏差為0，積分結(jié)果為常數(shù)，控制作用穩(wěn)定，因此積分部分可以消除系統(tǒng)的靜差。微分部分（D）可以根據(jù)偏差的變化趨勢超前調(diào)節(jié)，減小系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

2.2 系統(tǒng)仿真

在搭建硬件電路前，需要首先基于MATLAB應用的SIMULINK工具箱搭建上述控制系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真結(jié)果評估該方法的有效性[7－8]。電機本體模型是在永磁同步電機模型的基礎(chǔ)上搭建的，將其反電動勢設(shè)為120 V，其它參數(shù)相應修改。由于永磁同步電機沒有位置傳感器，所以額外搭建了霍爾信號模塊和換相信號模塊。三相橋電路的觸發(fā)信號亦即PWM信號由換相信號和速度信號共同決定。其中速度信號采取了PID閉環(huán)控制，即通過對速度的設(shè)定值和反饋值的差值進行比例、積分、微分控制，實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。圖2為直流無刷電機PID控制系統(tǒng)仿真模型；圖3為對應的速度變化曲線。

圖2 直流無刷電機PID控制系統(tǒng)仿真模型

圖3中電機空載時初始轉(zhuǎn)速設(shè)為1000 r/min，啟動后速度迅速從0上升至1000 r/min，耗時不足1 s。在5秒處將速度的設(shè)定值調(diào)整為600 r/min，電機轉(zhuǎn)速又迅速而平滑的下降為600 r/min，可見該控制系統(tǒng)性能良好，靜態(tài)、動態(tài)特性都較為理想。

圖3 速度變化曲線

3 硬件電路設(shè)計

3.1 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路由3只IR2110S和三相全橋逆變電路構(gòu)成，IR2110S內(nèi)部有自舉懸浮電路，具有欠壓保護功能，并設(shè)有外部保護端口，可以外加電路實現(xiàn)過流保護的功能。這種設(shè)計在中小功率變換裝置中被廣泛應用，此處也選取IR2110S搭建無刷直流電機控制系統(tǒng)。由于每片IR2110S的外圍電路相同，此處只給出其中一只IR2110S及其外圍電路的原理圖，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路（局部）

三相全橋電路的母線電壓為24 V，IR2110S的工作電壓是10 V～20 V，將其引腳VCC連接至12 V電源；VDD連接5 V電源；VB與VS之間連接自舉電容C4；VCC通過二極管向自舉電容充電，其儲存的能量用來確保MOSFET穩(wěn)定導通。VCC和VDD分別對地連接旁路電容C3和C5。STM32產(chǎn)生出的PWM信號通過光耦隔離芯片傳輸給HIN和LIN，然后經(jīng)由引腳HO和LO輸出到MOSFET，以控制其通斷。電阻R13和R14可以調(diào)節(jié)MOSFET的開通速度，一般阻值較小。R16、R17為MOS管Q1、Q2的下拉電阻，防止在靜電作用下由于電荷沒有釋放回路引起MOS管擊穿，同時還能避免上電時產(chǎn)生的不受控漏極電流引起燒管。D1和D2是續(xù)流二極管，能使MOSFET快速關(guān)斷。

3.2 位置檢測電路

直流無刷電機內(nèi)部集成3只間隔120°電角度的霍爾傳感器，即120度電機。電機轉(zhuǎn)動時STM32根據(jù)收到的霍爾信號產(chǎn)生對應的PWM信號控制MOSFET的通斷。

位置檢測電路如圖5所示。其中，HU、HV、HW為霍爾傳感器反饋的信號，VCC連接5 V電源為位置檢測電路供電。當霍爾信號為低電平時，以U1為例，5 V電源通過R2和D1產(chǎn)生電流，使得光耦輸出端為低電平。當霍爾信號為高電平時，光耦輸出端被R1上拉為高電平。這樣霍爾信號就通過光耦傳送給STM32，用來控制電機換向的同時還能用以計算電機的轉(zhuǎn)速。

圖5 位置檢測電路

3.3 過流保護電路

為了避免過流導致控制系統(tǒng)損壞，設(shè)計加入了過流保護電路，其設(shè)計原理圖如圖6所示。

圖6 過流保護電路

過流保護電路的工作原理是把系統(tǒng)的最大允許電流通過三相橋電路上的采樣電阻R15折算成電壓值，將其作為比較器反相輸入端的閾值；電路的實際閾值通過分壓電阻R5調(diào)節(jié)得到，另一端直接從采樣電阻獲取電壓值。當發(fā)生過流情況時，比較器輸出高電平，經(jīng)光耦隔離芯片傳送給IR2110S的SD控制引腳，立即停止控制信號的輸出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)選取STM32F407IGT6作為控制芯片，并在KeilμVision5中編寫了無刷直流電機PID控制程序。系統(tǒng)的軟件主要由主程序和中斷程序構(gòu)成。

4.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)的主程序包括所有模塊的初始化，如系統(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(diào)試串口初始化、電機初始化和目標速度初始化函數(shù)。主程序按照順序從上至下執(zhí)行，遇到中斷則進入中斷，中斷結(jié)束回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4.2 中斷程序設(shè)計

電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、堵轉(zhuǎn)保護等功能都通過中斷程序?qū)崿F(xiàn)。因此，中斷程序主要包括霍爾信號獲取中斷、系統(tǒng)保護中斷等。核心控制功能的中斷流程圖如圖8所示。

圖8 核心控制功能中斷流程圖

霍爾信號獲取中斷程序，主要實現(xiàn)的是在霍爾信號發(fā)生改變時控制電機換相的功能，系統(tǒng)保護中斷程序主要實現(xiàn)的則是在系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)故障發(fā)生時關(guān)閉控制信號的功能。

5 上位機調(diào)試軟件設(shè)計

上位機調(diào)試軟件是電機控制系統(tǒng)中不可或缺的一部分[9]，此處基于LABVIEW搭建直流無刷電機調(diào)試軟件。它能夠監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，尤其是系統(tǒng)開發(fā)初期，該軟件還能輔助程序調(diào)試。PID算法的參數(shù)整定是一個耗時較多的過程，如果每次調(diào)參都編譯程序耗時更長，而通過搭建的電機調(diào)試助手則可以實時調(diào)參，能提高系統(tǒng)調(diào)試的效率。

5.1 調(diào)試軟件程序設(shè)計

在LABVIEW中基于VISA驅(qū)動，結(jié)合狀態(tài)機的方法應用屬性節(jié)點搭建無刷直流電機控制系統(tǒng)的上位機調(diào)試軟件。主要用其經(jīng)過串口發(fā)送特定的命令，如啟動、停止、復位；此外，還能夠?qū)崟r顯示電機的速度曲線，并能在系統(tǒng)運行的條件下修改系統(tǒng)參數(shù)，如速度的目標值，PID閉環(huán)控制算法的比例P、積分I、微分D的參數(shù)，以及高級定時器的更新周期。上位機軟件流程圖如圖9所示。

圖9 上位機軟件流程

5.2 實驗結(jié)果

實驗選用的電機型號為57BL75S10，其額定功率100 W，最高轉(zhuǎn)速2500 r/min。在Keil環(huán)境下將C語言程序通過下載器燒錄到STM32中，啟動系統(tǒng)電機運行，速度值通過串口輸出到上位機顯示為速度曲線。上位機軟件運行界面如圖10所示。實驗結(jié)果表明，空載時電機速度曲線與仿真結(jié)果一致。

圖10 上位機軟件運行界面

6 結(jié)束語

以STM32F407IGT6為核心設(shè)計了一種無刷直流電機控制系統(tǒng)。與采取DSP設(shè)計的控制系統(tǒng)相比，外圍電路簡單、成本低。與采取8/16位微控制器設(shè)計的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的控制精度更高。系統(tǒng)還可實時地顯示電機運行狀態(tài)并能夠現(xiàn)場調(diào)參，極大提高了便利性與經(jīng)濟性，具有較大的工程應用價值。