無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

　　作為機(jī)電一體化電機(jī)產(chǎn)品，無刷直流電機(jī)具有較好的可控性和寬調(diào)速范圍，應(yīng)用極其廣泛，根據(jù)其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析和討論了無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STM32F103ZET6控制器的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。運(yùn)用該芯片的GPIO模塊、PWM模塊和定時(shí)器模塊等，并加入高效的PID算法，實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的啟動(dòng)停止控制、位置檢測(cè)和閉環(huán)調(diào)速三大主要功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此控制系統(tǒng)成本較低廉，運(yùn)行效果良好，性價(jià)比較高。

　　《江蘇電機(jī)工程》(雙月刊)創(chuàng)刊于1982年，是江蘇省電力公司和江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì)主管、江蘇省電力科學(xué)研究院和江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì)編輯工作委員會(huì)主辦的全國(guó)性科學(xué)技術(shù)刊物，本刊為國(guó)際大16開本，彩色封面插頁。

　　1 概述

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型機(jī)電一體化電機(jī)即無刷直流電機(jī)出現(xiàn)了，它是現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物。由于市場(chǎng)需要的增長(zhǎng)，無刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化裝置，航空航天，汽車，電子消費(fèi)，醫(yī)療設(shè)備，辦公自動(dòng)化及日常生活等各領(lǐng)域。無刷直流電機(jī)(即BLDCM)可想象成一個(gè)定轉(zhuǎn)子倒置的直流電動(dòng)機(jī)，其中永久磁性在轉(zhuǎn)子上，而繞線在定子上。相對(duì)于有刷直流電機(jī)，該電機(jī)沒有電刷和換向器的火花、磨損問題，不需要經(jīng)常維護(hù)。具有高轉(zhuǎn)速、高效率、高可靠性、能耗低、噪音低、壽命超長(zhǎng)、可伺服控制、簡(jiǎn)單易用和較低成本的特點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得它得到迅速的發(fā)展和普及，現(xiàn)在已經(jīng)成為最具有發(fā)展前途的電機(jī)產(chǎn)品[1]。

　　按照無刷直流電機(jī)的工作原理，電子開關(guān)的換相取決于轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)，目前主要有兩類技術(shù)能夠得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。第一類技術(shù)是采用無位置傳感器的控制技術(shù)，其核心內(nèi)容是通過間接的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)，代替直接用轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置磁極信號(hào)。事實(shí)上，無位置傳感器控制技術(shù)是從軟件和硬件控制兩方面著手，增加了控制的復(fù)雜性而降低電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。位置檢測(cè)方法及電路主要包括：反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)法，反電動(dòng)勢(shì)比較法、3次諧波反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)積分檢測(cè)法，續(xù)流二極管法等等[1]。

　　反電動(dòng)勢(shì)積分檢測(cè)法是比較門限值和懸空相反電動(dòng)勢(shì)的積分量，某相繞組的換相時(shí)刻是當(dāng)積分量與門限值相等的時(shí)候，這種方法的優(yōu)點(diǎn)：在控制過程中不需要獲取轉(zhuǎn)速信息，只需要調(diào)節(jié)門限值的大小來實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的滯后換相或超前，對(duì)開關(guān)信號(hào)也不是很敏感;但是也存在缺點(diǎn)，就是有積分累計(jì)誤差和門限值設(shè)置問題[2-4]。反電動(dòng)勢(shì)3次諧波檢測(cè)法通過反電勢(shì)的3次諧波來決定電機(jī)的換相時(shí)刻，優(yōu)點(diǎn)是相位延遲較小，轉(zhuǎn)速適用范圍較大;但是因?yàn)榈退僭胍粜盘?hào)的不斷積累，往往會(huì)造成換相不準(zhǔn)確，使得在積分過程中產(chǎn)生了誤差[5-6]。

　　第二類技術(shù)是通過安裝位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子信號(hào)，比如霍爾元件，該技術(shù)被廣泛采用。利用三個(gè)霍爾器件(圓周空間配置有兩個(gè)方案：相互間隔60度或間隔120度)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)60度(120度)電度角，則某個(gè)霍爾器件改變其狀態(tài)，那么與之相對(duì)應(yīng)的逆變器內(nèi)的某一相的開關(guān)狀態(tài)隨著更新變化一次，如此開關(guān)狀態(tài)變化六次(或稱六步)就完成了一個(gè)電氣周轉(zhuǎn)，霍爾器件輸出響應(yīng)的“0”和“1”兩種狀態(tài)的方波，從而判斷轉(zhuǎn)子繞組的位置[7-8]。霍爾傳感器具有尺寸小、質(zhì)量輕、制造成本低、方便大規(guī)模生產(chǎn)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)中采用霍爾傳感器來測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置信息[9]。

　　在控制算法方面， BLDCM(無刷直流電機(jī))一般采用PID算法控制[10]，這種控制是早先發(fā)展起來的一種控制策略，具有諸多優(yōu)點(diǎn)如算法成熟簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好等，因此被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)控制方面的控制器中有多達(dá)90%的PID類型的控制器。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　無刷直流電機(jī)(BLDCM)由三相定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組感應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生力矩使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。控制無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，必須知道轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，本文控制系統(tǒng)中采用霍爾傳感器來測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置信息，由3個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的電平的時(shí)序來判斷此刻的轉(zhuǎn)子位置，并對(duì)相應(yīng)的定子繞組進(jìn)行通電。每一次換相都會(huì)有一組繞組處于正向通電，第二組繞組反向通電，另外一組不通電，由此驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[1][7]。

　　2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.1.1 器件選擇

　　系統(tǒng)以STM32F103ZET6(以下簡(jiǎn)稱STM32)為主控芯片，STM32具有豐富的PWM通道、高級(jí)定時(shí)器和AD轉(zhuǎn)換通道，適合用于電機(jī)控制的設(shè)計(jì)。在實(shí)際使用過程中，若要使用某模塊功能，只要配置好相應(yīng)的模塊寄存器就行，并不需要編寫復(fù)雜的相應(yīng)程序，如此就可以使用主要精力提高硬件電路性能，遇到運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，可以進(jìn)行方便及時(shí)的調(diào)試和維護(hù)[11-14]。另外，該芯片外部引腳豐富，本系統(tǒng)只使用了少量引腳，其他部分可留做更多擴(kuò)展功能的開發(fā)應(yīng)用。

　　2.1.2 硬件功能設(shè)計(jì)

　　本控制系統(tǒng)由電源部分，驅(qū)動(dòng)電路，STM32微控制器，位置、速度檢測(cè)，計(jì)算機(jī)串口通信等組成。STM32可以處理采集收回的電流和位置信號(hào)等各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)BLDCM的控制算法，以及輸出無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需要的脈沖信號(hào)，主控芯片STM32則根據(jù)給定的指令生成相應(yīng)的PWM脈沖信號(hào)，以此控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開關(guān)時(shí)間，使無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期值。

　　(1)驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)部分選用芯片A4931，它是一款完善的三相無刷直流電機(jī)的前置驅(qū)動(dòng)器，該設(shè)備可驅(qū)動(dòng)多種N溝道的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。支持的馬達(dá)供電電壓高達(dá)30V。換相邏輯由相隔120度三個(gè)霍爾元件的輸入信號(hào)決定。還帶有三路霍爾元件輸入用于控制觸發(fā)邏輯，并且具備轉(zhuǎn)子鎖定保護(hù)功能。A4931輸出電流的大小取決于外部MOSFET的容量。轉(zhuǎn)子鎖定保護(hù)檢測(cè)延時(shí)由連至CLD引腳的外部電容來設(shè)置。ENABLE，DIRECTION，BRAKE輸入可用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，位置與轉(zhuǎn)矩。提供兩種電流控制方式，即可采用外部信號(hào)，通過ENABLE輸入腳對(duì)MOSFET進(jìn)行PWM控制，也可利用芯片內(nèi)建的PWM電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。由于A4931具備同步整流特性，無論采用哪種電流控制方式，都能確保在電流衰減時(shí)開通適當(dāng)?shù)腗OSFET，避免無謂的功率損耗。下面簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)主要控制引腳的功能及用法。

　　使能輸入端(ENB)：允許接外部PWM信號(hào)，ENB為高電平關(guān)閉合適的驅(qū)動(dòng)，負(fù)載電流開始衰減。如果ENB保持低電平，電流會(huì)持續(xù)增加，直到達(dá)到內(nèi)部電流控制電路設(shè)置的水平。典型的PWM頻率在20KHz到30KHz之間，調(diào)節(jié)占空比可控制速度。可利用主控芯片STM32的定時(shí)器TIM產(chǎn)生PWM信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)行，調(diào)整PWM信號(hào)的占空比就可以改變無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　剎車模式(BREAK)：邏輯低電平加到BREAK引腳上激活剎車模式，而邏輯高電平允許正常工作。

　　方向信號(hào)(DIR)：通過高低電平控制馬達(dá)方向。

　　具有可驅(qū)動(dòng)6個(gè)N溝道的功率MOSFET，對(duì)低功率耗散同步整流，內(nèi)部欠壓鎖定(UVLO)和過熱關(guān)機(jī)電路，霍爾元件輸入，PWM電流限制，停機(jī)時(shí)間保護(hù)，F(xiàn)G輸出，待機(jī)模式，鎖定檢測(cè)保護(hù)等功能和特點(diǎn)。

　　場(chǎng)效應(yīng)管采用雙N溝道邏輯電平的FDS8949，具有高功率和電流處理能力，與驅(qū)動(dòng)芯片A4931一起組成了無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分，如圖1 所示。

　　(2)位置、速度檢測(cè)電路

　　正交編碼器，又名增量式編碼器或光電式編碼器，可以對(duì)多種電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置和速度。它是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理每轉(zhuǎn)過單位角度就輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，通常為A、B和Z相輸出。A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖信號(hào)，根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)，即如果A相超前B相，那么電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就是正向的。如果A相落后B相，那么電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向就是反向的，Z相稱為索引脈沖，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖，作為基準(zhǔn)用來確定絕對(duì)位置。

　　在本設(shè)計(jì)中，將霍爾傳感器的三個(gè)引腳與STM32F103ZET6芯片的外部引腳相連，充分利用該芯片的外部中斷功能，將其設(shè)置為外部中斷捕獲模式。

　　系統(tǒng)中使用的是1024線正交編碼器，通過單片機(jī)IO口對(duì)正交編碼器輸出脈沖波形進(jìn)行雙邊沿檢測(cè)，通過定時(shí)器累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，可計(jì)算出當(dāng)前速度，使得轉(zhuǎn)速檢測(cè)精度大大提高，轉(zhuǎn)速誤差大大降低。

　　(3)速度PID調(diào)節(jié)

　　PID控制算法是控制理論中最成熟的一種控制算法，也是生產(chǎn)過程中最普遍采用的控制方法，在機(jī)械、機(jī)電、化工等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。繞組內(nèi)電流的大小決定著電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過控制芯片輸出可調(diào)的PWM信號(hào)控制開關(guān)管通斷，改變繞組電流達(dá)到調(diào)速的目的。相對(duì)于位置式PID算法，增量式PID算法不需要累加誤差，能達(dá)到比較好的控制效果，機(jī)器出現(xiàn)問題時(shí)影響范圍較小，不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程，滿足無刷直流電機(jī)的要求，所以本系統(tǒng)選擇增量式PID控制算法[15]。

　　2.2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)程序主要由硬件初始化，位置檢測(cè)，換相，速度檢測(cè)，速度PID調(diào)節(jié)等組成。硬件初始化主要是初始化要用到的GPIO端口，中斷控制，PWM模塊，定時(shí)器TIM等。位置檢測(cè)主要是通過單片機(jī)IO口檢測(cè)編碼器輸出脈沖信號(hào)來確定轉(zhuǎn)子的位置信息，只要設(shè)定需要的圈數(shù)和轉(zhuǎn)速，通過串口通信，就能夠控制電機(jī)在預(yù)定轉(zhuǎn)速下完成預(yù)定的圈數(shù)后自動(dòng)停下來。換相是經(jīng)過檢測(cè)單片機(jī)IO口霍爾電平狀態(tài)來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置信息改變電流流向。同時(shí)間隔一段時(shí)間讀取預(yù)定的轉(zhuǎn)速，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)對(duì)無刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，保證系統(tǒng)良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，為了滿足實(shí)時(shí)性控制要求，程序大部分在中斷中調(diào)用。

　　閉環(huán)調(diào)速過程即速度PID調(diào)節(jié)，進(jìn)入閉環(huán)調(diào)速過程后，先要計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，在進(jìn)行過流檢測(cè)，判斷當(dāng)前電流是否超過設(shè)定的故障電流，若電流超過設(shè)定的故障電流，就需要減小PWM輸出達(dá)到減小電流的目的，再比較當(dāng)前速度和給定速度實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，當(dāng)速度達(dá)到指定速度且不過流時(shí)退出閉環(huán)調(diào)節(jié)過程。

　　3 結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文中控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的相關(guān)控制，結(jié)合精確的PID算法，能夠很好地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且運(yùn)行穩(wěn)定。通過串口通信，使得該系統(tǒng)具有良好的啟動(dòng)停止、換相、調(diào)速特性，無刷直流電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。使用STM32設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)程序精簡(jiǎn)，硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，系統(tǒng)可靠性高，有較高實(shí)用性，可推廣使用。

　　經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐證明，本系統(tǒng)相關(guān)器件的設(shè)計(jì)是合理的。最終結(jié)論：系統(tǒng)方案具有可行性、實(shí)用性，且安全可靠。

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