基于STM32的直流無刷無感電機(jī)的控制系統(tǒng)研究解讀

1、南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué) 院 ：電子與電氣工程學(xué)院專 業(yè) ：電子信息工程學(xué) 生 ：指導(dǎo)教師 ： 薛曉完成日期 2014 年 5 月南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation總計(jì)： 21頁表格： 2個(gè)圖： 27南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation學(xué) 院（系）：電子與電氣工程學(xué)院專業(yè)：電

2、子信息工程學(xué)生 姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師（職稱）： 薛曉（講師）評閱 教師：完成 日期：南陽理工學(xué)院Nanyang Institute of Technology直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電子信息工程專業(yè) 摘 要 直流無刷無感直流電機(jī)具有體積小、 調(diào)速性能好、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)， 目前在很多領(lǐng)域得到了的應(yīng)用。 本課題設(shè)計(jì)的是無刷無感直流電機(jī)的控制， 包括無刷直 流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)和無刷無感直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、 工作原理、 數(shù)學(xué)模型等 理論進(jìn)行了分析和論述，為直流電機(jī)的控制提供理論依據(jù)。用 matlab guide 設(shè)計(jì)了上 位機(jī)界面來進(jìn)行 PID 參數(shù)的

3、整定。本課題設(shè)計(jì)了直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)并進(jìn)行了調(diào)試。 用 STM32進(jìn)行控制。 實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置檢測可以很好的檢測電機(jī)的反電勢過零點(diǎn)信號， 進(jìn)而保證電機(jī)的 正確換相和穩(wěn)定運(yùn)行。 整個(gè)系統(tǒng)可以控制無刷無感直流電機(jī)順利啟動， 并通過滑動變阻 器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。 關(guān)鍵詞 無刷直流電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動；換相；反電勢Design of Brushless DC Motor Controller and ImplementationElectronic Information Engineering SpecialtyAbstract: The brushless DC motors have t

4、he advantage of small,good debugging performance,low weight,and high efficiency. So it has been widely used now. And this restricts the industrial drive applications,After the attachment with sensorless control. This paper mainly reserches the sensorless control technology for BLDCM,designs and cont

5、rol BLDCM without position sensor. I use MATLAB guide to debug PID parameter.designing a controller of brushless DC motor and do some experiments for this control system. I use the STM32 MCU as the core microprocessor of hardware system.The results of the experiment show that the rotor position dete

6、ction system can perfectly detect the location of back-EMF zero-crossing signal,and ensuring the correct motor commutation and stable operation.The whole control system can control the brushless DC motor stating smoothly,and use the Sliding rheostat to achieve speed control.Key words：Brushless dc mo

7、tor； motor drive ；commutation; back-emf直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄 TOC o 1-5 h z 引言 . 1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 題目綜述 . 1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 國內(nèi)外研究狀況 . 1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 . 1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案 . 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8、目標(biāo) 2 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計(jì) 2硬件系統(tǒng)方案論證 3控制器芯片選型 . 3無刷直流電機(jī)的選型 . 3驅(qū)動電路的選型 4位置檢測器件選型 4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計(jì) 5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 直流無刷電機(jī)的工作原理 5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 無刷電機(jī)的反電勢法位置檢測原理 6 HYPERLINK

9、 l bookmark36 o Current Document 電源模塊 6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document MCU 控制模塊 7 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document IPM 功率模塊 8 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 反電勢位置檢測模塊 10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 隔離電路設(shè)計(jì) . 10 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 速度改

10、變電路設(shè)計(jì) . 11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 11 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 軟件總體設(shè)計(jì) 11 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖 12 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 無刷無感直流電機(jī)開環(huán)啟動模塊 12 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 無刷直流電機(jī)位置檢測及電機(jī)轉(zhuǎn)速模塊 13 HYPER

11、LINK l bookmark58 o Current Document AD 采樣改變 PWM占空比模塊 14 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document PID 計(jì)算模塊 14 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document matlab gui 串行通信界面設(shè)計(jì) . 15 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 直流無刷無感電機(jī)測試結(jié)果及結(jié)果分析 16 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document H_PWM_L_PW的M波形 16

12、II直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)161717181920 錯(cuò)誤！未定義書簽。端電壓對地波形 位置檢測波形 電流波形 實(shí)物圖 結(jié)束語 . 參考文獻(xiàn) . 致謝 . III直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)引言題目綜述直流無刷電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它不僅保留了有刷直流電 機(jī)良好的調(diào)試性能，而且還克服了有刷直流電機(jī)機(jī)械換相帶來的火花、噪聲、無線電 干擾、壽命短及制造成本高和維修困難等等的缺點(diǎn)。與其它種類的電機(jī)相比它具有鮮 明的特征：低噪聲、體積小、散熱性能好、調(diào)試性能好、控制靈活、高效率、長壽命 等一系列優(yōu)點(diǎn)?；谶@么多的優(yōu)點(diǎn)無刷直流電機(jī)有了廣泛的應(yīng)用。比如電動汽車的核 心驅(qū)動部件、電

13、動車門、汽車空調(diào)、雨刮刷、安全氣囊；家用電器中的DVD、VCD、空調(diào)和冰箱的壓縮機(jī)、洗衣機(jī)；辦公領(lǐng)域的傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、碎紙機(jī)等；工業(yè)領(lǐng)域的紡 織機(jī)械、醫(yī)療、印刷機(jī)和數(shù)控機(jī)床等行業(yè)；水下機(jī)器人等等諸多應(yīng)用 1 。國內(nèi)外研究狀況目前，國內(nèi)無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，我國已經(jīng)制定了GJB1863無刷直流電機(jī)通用規(guī)范。外國的一些技術(shù)和中國的一些技術(shù)大體相當(dāng)，美國和日本的相 對比較先進(jìn)。當(dāng)新型功率半導(dǎo)體器件： GTR、MOSFE、T IGBT 等的出現(xiàn)，以及釹鐵硼、 釤鈷等高性能永磁材料的出現(xiàn)，都為直流電機(jī)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近些年來， 計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)快速發(fā)展。單片機(jī)、 DSP、FPGA、

14、 CPLD等控制器被應(yīng)用到了直流電 機(jī)控制系統(tǒng)中，一些先進(jìn)控制技術(shù)也同時(shí)被應(yīng)用了到無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，這些 發(fā)展都為直流電機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，我國對無刷電機(jī)的控制已經(jīng)有了很大的提高，但是與國外 的技術(shù)相比還是相差很遠(yuǎn)，需要繼續(xù)努力。所以對無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí) 仍是國內(nèi)的重要研究內(nèi)容 2 。課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本文以永磁方波無刷直流電機(jī)為控制對象，主要學(xué)習(xí)了電機(jī)的位置檢測技術(shù)、電 機(jī)的啟動方法、調(diào)速控制策略等。選定合適的方案，設(shè)計(jì)硬件電路并編寫程序調(diào)試， 最終設(shè)計(jì)了一套無位置傳感器的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。 本課題涉及的技術(shù)概括如下：（1）學(xué)習(xí)直流無刷電機(jī)的基

15、本結(jié)構(gòu)、 工作原理、 數(shù)學(xué)模型等是學(xué)習(xí)電機(jī)的前提和 首要內(nèi)容。（2）直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)， 我選用最常用的反電勢檢測技術(shù)， 本文 分析了反電勢法的原理，并設(shè)計(jì)了反電勢的硬件實(shí)電路，進(jìn)行了焊接與調(diào)試。（3）由于無刷直流電機(jī)在靜止或者轉(zhuǎn)速很低的時(shí)候， 其產(chǎn)生的反電勢為零或者很直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)小很不容易檢測到，因此直流無刷電機(jī)的啟動是一個(gè)難點(diǎn)。（4）分析了速度換的單閉環(huán)控制策略，并用 matlab guide 設(shè)計(jì)了上位機(jī)界面來 實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。（5）在確定無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件總體方案時(shí)， 經(jīng)過對比選擇 STM32芯片， 選智能功率模塊 FSBB30CH6

16、0為C 驅(qū)動芯片，并設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)控制驅(qū)動電路、反 電勢轉(zhuǎn)子位置檢測電路及電流電壓采樣電路等。（6）最后對整套控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，包括軟、硬件的調(diào)試，并對調(diào)試結(jié)果 進(jìn)行了分析。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 直流無刷電機(jī)因?yàn)檎{(diào)試性能好、低噪聲、體積小、控制靈活、高效率、散熱性能 好、壽命長等一系列的優(yōu)點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：（1）能夠驅(qū)動直流無刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)并有電路保護(hù)以免器件燒壞。（2）能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的檢測到直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)啟動和停止的控制。（4）能夠通過滑動變阻器來實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的無極調(diào)速。（5）電路具有電流、電壓保護(hù)，以免對電路產(chǎn)生不良影響。控制系統(tǒng)

17、結(jié)構(gòu)總體框圖的設(shè)計(jì)直流無刷無感電機(jī)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能：能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測到無刷 直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、能夠用三段式技術(shù)使電機(jī)能夠很好的啟動、 PID 調(diào)節(jié)技術(shù)、速度環(huán)的控制、電壓保護(hù)、電流保護(hù)等主要關(guān)鍵的控制技術(shù)。電機(jī)調(diào)速原理框圖如下圖1 所示。圖1 電機(jī)調(diào)速原理框圖直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)方案論證 為了能夠?qū)崿F(xiàn)無刷直流電機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)、無極調(diào)速等一系列的優(yōu)點(diǎn)，需要選擇合 適的元器件來滿足本課題設(shè)計(jì)的需求。控制器芯片選型 對直流無刷電機(jī)控制所用微處理器的選型要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：（1）微處理器的運(yùn)行頻率和運(yùn)算速度得滿足控制系統(tǒng)要求（2）微處理器片內(nèi)資源是否足夠，主要是 I

18、/O 口的數(shù)量和電平兼容性、 A/D 路數(shù) 及位數(shù)。（3）微處理器的體積、工作溫度等是否滿足系統(tǒng)要求。（4）微處理器的可靠性、生產(chǎn)廠商、數(shù)量和價(jià)格、上市時(shí)間等因素也需要考慮， 這關(guān)系到產(chǎn)品的后續(xù)更新?lián)Q代，以及采用該處理器開發(fā)的難易程度?；?ARMC orte-M3 內(nèi)核 32 位單片機(jī) STM32，時(shí)鐘頻率最大可達(dá) 72MHZ，在數(shù)字處 理上經(jīng)過了優(yōu)化，所以本設(shè)計(jì)選用 STM32F103ZET單6 片機(jī)。無刷直流電機(jī)的選型 在選用直流無刷電機(jī)的時(shí)候，必須根據(jù)它的參數(shù)來判斷其驅(qū)動電路，無刷電機(jī)的 參數(shù)如表 1 所示：表 1 無刷直流電機(jī)的參數(shù)外轉(zhuǎn)無刷電機(jī)KV最大效率電流無負(fù)載 流/10v最大電

19、流最大 效率 y軸徑 （mm）重量電阻尺寸（ mm）A2212/13KV1000410A0.5A12A/60s80%3.1747g90m?27.5*30新西達(dá)無刷電機(jī) /2212KV1000 如圖 2圖 2 直流無刷電機(jī)3直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電路的選型智能功率模塊選擇的是 FSBB30CH60，C它把驅(qū)動電路和開關(guān)電路集成在了一起， 內(nèi)部有欠壓、過壓、過流故障檢測電路， CPU可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測。還包括三個(gè) HVIC、 一個(gè) LVIC（門極驅(qū)動低壓集成電路 ） 、六個(gè)先進(jìn)技術(shù)的 IGBT、六個(gè) FRD。智能功率模塊 的元器件圖如圖 3 所示。圖 3 智能功率模塊位置檢測器件選型

20、反電勢過零點(diǎn)檢測原理是模擬中性點(diǎn)和端電壓的值相等得到，由STM32端口和連接霍爾傳感器接口的關(guān)系，需用三路比較電路， LM339N由四路比較電路組成，可選用 LM339N 比較電路實(shí)現(xiàn)。 LM339N內(nèi)部框圖如圖 4 所示：圖 4 比較器 LM339N直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的工作原理和硬件設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)的工作原理PWM波控制驅(qū)動電路，位置檢測用的反電勢過零點(diǎn)技術(shù)。工作原理如圖5 所示。本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)類型為三相星型連接?？刂破鳟a(chǎn)生六路圖 5 直流電機(jī)工作原理圖在圖 5 中，當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)到（ a）時(shí)，反電勢過零信號延時(shí) 30電角度后，輸 出的信號送往單片機(jī)，單片機(jī)輸出信號讓

21、T1、T6 導(dǎo)通。這時(shí)電流從電源正極流出， 經(jīng) T1 流往 A相繞組，再由 B相繞組流出，經(jīng) T6 回到電源的負(fù)極，此時(shí)由于定子和轉(zhuǎn) 子磁場的相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 60 電角度，即到（ b）時(shí)， 反電勢過零信號延時(shí) 30電角度后，輸出的信號送往單片機(jī)，單片機(jī)讓 T1、T2 導(dǎo)通， 這時(shí)電流從電源的正極流出，經(jīng) T1 流往 A相繞組，再由 C相繞組流出，經(jīng) T2回到電 源負(fù)極。此時(shí)由于定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動。同樣 按照這個(gè)方式，電機(jī)可以順利的轉(zhuǎn)動起來。電機(jī)有六種磁狀態(tài)，每種狀態(tài)導(dǎo)通 120 度，每次由兩相導(dǎo)通，無刷電機(jī)就是兩相 導(dǎo)通星型三相六

22、狀態(tài)的工作方式 。直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的反電勢法位置檢測原理觀察轉(zhuǎn)子位置和反電勢之間的關(guān)系如圖 6所示，轉(zhuǎn)子狀態(tài)由 a） 變?yōu)?b）過程中反電 勢波形和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，反電勢波形為 B 相繞組的反電勢，當(dāng)轉(zhuǎn)子由 a）初始 狀態(tài)轉(zhuǎn)過 30電角度時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁場方向正好和 B 相繞組軸線重合，不切割 B相繞組 導(dǎo)線，此時(shí) B相繞組的反電勢正好為零。 由圖可知，由 b）到 c） 要進(jìn)行換相動作，因此 可利用反電勢過零點(diǎn)確定轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而控制電機(jī)的換相，這就是直流無刷無感電 機(jī)反電勢檢測及控制換相的原理 4 。圖6 電機(jī)反電勢位置檢測圖電源模塊由于 STM32F103所需供電電壓

23、是 3.3V，圖 7 是把 5V 轉(zhuǎn)換成 3.3V 電壓的電路圖 7 STM32103 的供電電源直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)MCU 控制模塊MCU主控電路是整個(gè)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)控制逆變器六個(gè)橋 臂的通斷、采集電壓、 采集電流、檢測直流無刷無感電機(jī)的位置 （電機(jī)的反電勢檢測） 、 PID 的運(yùn)算、無刷直流電機(jī)啟動的控制、 JTAG調(diào)試下載等。STM32最小系統(tǒng)由 STM32F103 芯片、復(fù)位電路、晶振電路和 JTAG接口電路組成（1）STM32F103芯片電路如圖 8 所示：圖 8 STM32 芯片（2）復(fù)位電路和晶振電路STM32有兩個(gè)外部晶振電路和兩個(gè)內(nèi)部晶振電路。

24、兩個(gè)內(nèi)部晶振電路需要程序配 置編程即可，但外部的晶振電路需要晶振電路元器件搭建而成。如圖所示的 32.768K 和 8M的晶振電路。 晶振和復(fù)位電路如圖 9 所示。圖 9 晶振和復(fù)位電路直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（3）JTAG接口電路JTAG接口電路實(shí)現(xiàn)了程序下載及程序的在線調(diào)試仿真，使用它可以方便調(diào)試程 序，縮短了開發(fā)周期。 由于 STM32F103ZET的6 JTAG輸入引腳內(nèi)部嵌入了上拉或下拉電 阻，因而可以直接連接電路到芯片相應(yīng)引腳。 JTAG接口電路如圖 10 所示。圖 10 JTAG 接口電路4）USB接口電路這里的 USB單純的是供電用的。如圖 11 所示：圖 11 USB

25、接口電路IPM 功率模塊（1）MUC-IPM驅(qū)動信號接口電路FSBB30CH60內(nèi)C 置 HVIC，無需光耦就可以用 MCU驅(qū)動 IPM 的六個(gè)橋臂。 STM32的 高級定時(shí)器 TIM1功能強(qiáng)大，利用 COM事件控制產(chǎn)生 6 路 H_PWM_L_PW的M換相。這 6 個(gè)控制橋臂引腳要和 STM32的 PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE15相連。驅(qū)動 信號接口電路如圖 12 所示直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖 12 MUC-IPM 驅(qū)動信號接口電路（2）短路電流保護(hù)電路IPM 具有內(nèi)置短路電流保護(hù)的功能， 要在芯片引腳 Csc 上外加一個(gè)分流電阻。 IPM 檢測 Cs

26、c 管腳的電壓，當(dāng)電壓超過模塊指定的 Vsc（0.5V）時(shí)，IPM產(chǎn)生一個(gè)故障信號 IPM通過電阻 R16來檢測 N惻電流環(huán)節(jié)的線路電流，這里設(shè)定瞬時(shí)電流保護(hù)值為30A，檢測電阻 R16選取阻值為 10m? ，功率為 10W的無感電阻。 R32、C40構(gòu)成濾波電路。 另外檢測電阻 R16需要并聯(lián)一個(gè)小電容，作用是消除上電瞬時(shí)大電流導(dǎo)致的電流保護(hù) 誤動作。（3）故障輸出報(bào)警電路C38為 0.22uf 的高頻無感電容，作用是防止浪涌電流破壞， Vof 是 IPM 故障輸出 報(bào)警引腳。 TIM1_BKIN引腳是剎車功能引腳，和此處的 Vfo 引腳相連，在 IPM 出現(xiàn)故 障時(shí)通過此腳輸出低電平到 S

27、TM32,配合 TIM1 剎車功能可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)功能。所加 的電容 C18是用來消除噪聲干擾，確保出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)報(bào)警。故障輸出信號脈寬是有 引腳 Cfod 的外接電容 C24決定的，具體計(jì)算公式是 t=C24/（ 18.3*10 6） ，這里通常選直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)取 C24為 33nF,此時(shí) t=1.8ms 。反電勢位置檢測模塊反電勢位置檢測電路如圖 13所示。這里選用響應(yīng)時(shí)間為 1.3us 的 LM339芯片。定 子三相繞組端電壓 A、B、C經(jīng)濾波和分壓電路，送到比較器 LM339N的輸入端，與參考 電壓比較，獲得各相反電勢的過零點(diǎn)。反電勢過零點(diǎn)延時(shí) 30電角度后的信號用于電

28、 機(jī)的換相，進(jìn)而去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。圖 13 反電勢位置檢測電路圖隔離電路設(shè)計(jì)為了提高系統(tǒng)安全性，采用光耦設(shè)計(jì)隔離電路，這里選用 BL817如下圖 14 所示圖 14 光耦電路10直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在選用光耦時(shí)要注意兩點(diǎn)：第一是光耦的開關(guān)速度是否滿足系統(tǒng)的要求。第二是 光耦的信號驅(qū)動類型。 由于這里的位置檢測接入的單片機(jī)端口是 TIM2_CH1、TIM2_CH2、 TIM2_CH3通道。由于反電勢經(jīng)過比較電路以后， 可能會有大于單片機(jī)所能承受的電壓， 所以最好用隔離電路來保護(hù)單片機(jī)。這里選用三片 BL817 來實(shí)現(xiàn)電路的功能。速度改變電路設(shè)計(jì)速度改變電路選用的是滑動變阻器， 通過改變

29、滑動變阻器的阻值從而改變 AD的輸 入值，并通過與反饋回的電機(jī)速度他們之間的關(guān)系， 通過 PID 整定后的輸出來控制 PWM 的占空比進(jìn)而達(dá)到改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的功能。速度改變電路如圖 15 所示。圖 15 速度改變電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件總體設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的 BLDCM控制器的特點(diǎn)是控制系統(tǒng)的軟件化，系統(tǒng)的許多功能都是在硬 件的基礎(chǔ)上依靠軟件來實(shí)現(xiàn)的。 它們包括： 無位置傳感器下的三段式啟動； 基于 STM32 高級定時(shí)器的三相六路互補(bǔ)的 PWM輸出；依賴無位置檢測電路反電勢檢測后的電機(jī)換 相；利用 STM32的 AD來轉(zhuǎn)換計(jì)算采樣電壓值；電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算；電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等。 軟件的可靠性將直接影響整

30、個(gè)控制系統(tǒng)的性能。PWM換相，轉(zhuǎn)子軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括直流無刷電機(jī)的啟動、速度的計(jì)算， PID算法的實(shí)現(xiàn)等，軟件的結(jié)構(gòu)圖如圖 16 所示：主程序啟動子程序Systick中斷函數(shù)TIM2中斷服 TIM1中斷服務(wù)函數(shù) 務(wù)函數(shù)ADC中1斷服務(wù)函數(shù)圖 16 軟件的總體框圖架構(gòu)11直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件總體設(shè)計(jì)流程圖這部分是直流無刷無感電機(jī)的總體流程框圖，是總體程序的大體結(jié)構(gòu)模式，如圖17 所示。圖 17 軟件總體流程圖無刷無感直流電機(jī)開環(huán)啟動模塊本文運(yùn)用了傳統(tǒng)的三段式電機(jī)啟動技術(shù) 5 ，當(dāng)反電勢達(dá)到一定的值時(shí)再切換至電 機(jī)的自控狀態(tài)。(1) 轉(zhuǎn)子定位：由程序控制任意兩相導(dǎo)通

31、一段時(shí)間，此時(shí)電機(jī)定子合成的磁勢軸 線在空間就會有一個(gè)方向并把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置上，這個(gè)過程就是轉(zhuǎn)子的 預(yù)定位過程。通常轉(zhuǎn)子定位導(dǎo)通電機(jī)任意兩相一定時(shí)間方式， 但是這種方式容易造成定位失敗。 為了克服這種可能的電磁轉(zhuǎn)矩為零的情況，我們采用兩次定位的放法解決。開環(huán)加速：按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向，按照六步 PWM的換相順序，每隔一定的延 時(shí)進(jìn)行一次換相動作，強(qiáng)行使電機(jī)的轉(zhuǎn)子按照設(shè)定的方向旋轉(zhuǎn)起來。在這里用升頻升 壓法來實(shí)現(xiàn)開環(huán)加速，即換相信號頻率逐漸加大，并且增大外施電壓使電機(jī)加速，稱 為升頻升壓法。當(dāng)開環(huán)換相過程持續(xù)大約 30 個(gè)周期后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的值， 反電動勢 也能夠檢測的到了，此

32、刻就可以進(jìn)入閉環(huán)控制系統(tǒng)。依據(jù)以上原理三段式開環(huán)啟動的流程框圖如圖 18 所示。12直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖 18 開環(huán)三段式啟動13無刷直流電機(jī)位置檢測及電機(jī)轉(zhuǎn)速模塊在直流無刷電機(jī)控制體系中，要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行換相，也要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置 信息計(jì)算轉(zhuǎn)速。本課題位置檢測用的是反電勢位置檢測技術(shù)，用的比較器來判斷電機(jī) 19所示。直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)AD 采樣改變 PWM占空比模塊AD模塊采用的滑動變阻器來改變 PWM的占空比，并采用了平均濾波技術(shù)， PWM脈 寬調(diào)整模塊根據(jù)轉(zhuǎn)速的給定值設(shè)置 PWM波的脈寬,從而控制電轉(zhuǎn)速 7 。如圖 20所示。PID 計(jì)算模塊模擬 PID控制原理

33、如圖 21 示，整個(gè)控制系統(tǒng)由模擬 PID控制器和被控對象組成。PID 控制系統(tǒng)的基本原理是根據(jù)設(shè)定值 rin(t) 和實(shí)際輸出值 yout(t) 構(gòu)成控制偏差 e(t)=yout(t)-rin(t)完成 . 利用 PID 控制系統(tǒng)對偏差進(jìn)行處理得到控制量 u(t), 然后再利用這個(gè)控制量去控制被控對象，其中 u(t) 的計(jì)算公式為：1)1 t de(t) u(t) Kp(e(t) T1i 0e(t)dt Td ded(tt)Kp：比例常數(shù)， Ti ：積分常數(shù)， Td：差分常數(shù)14直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖 21 模擬 PID 控制原理圖PID 控制系統(tǒng)中，三個(gè)控制量所起的作用分別是：

34、P控制將誤差固定比例修正。 I 控制將誤差取時(shí)間的積分。 D控制將誤差進(jìn)行微分防止被控量的嚴(yán)重超調(diào)。從公式中推出增量式 PID 控制算法為：u(k) u(k) u(k 1)2)=Kp(e(k) e(k 1) Kie(k) Kd(e(k) 2e(k 1) e(k 2) 下面是增量 PID算法，程序設(shè)計(jì)中用的最常用的增量 PID算法8 ： u(k 1) u(k) q0*e(k 2) q1* e(k 1) q2* e(k);Ts Tdq0 Kp* (1)Ti Tsq1 Kp *(1 2Td)Tsq2 Kp TTdsTsmatlab gui 串行通信界面設(shè)計(jì)為了更好調(diào)節(jié) PID, 設(shè)計(jì) matlab

35、gui 界面，能夠很方便的調(diào)節(jié) PID。界面如圖 22：圖 22 PID 參數(shù)整定界面15直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)直流無刷無感電機(jī)測試結(jié)果及結(jié)果分析5.1 H_PWM_L_PW的M波形直流無刷電機(jī)的驅(qū)動波形有很多種方式可以選擇，比如：PWM_ON調(diào)制、 ON_PWM調(diào)制、H_PWM_L_O調(diào)N制、H_ON_L_PW調(diào)M制、H_PWM_L_PW調(diào)M制。我選用的是 H_PWM_L_PWM 調(diào)制方式 9 ，圖 23 是六路 PWM的其中兩路，其他的幾路基本都一樣，用來控制直流無 刷電機(jī)的順利運(yùn)轉(zhuǎn)。圖 23 H_PWM_L_PWM 波形端電壓對地波形圖 24 是電機(jī)對地的電壓波形，和原理的很接近

36、，也算理想圖 24 端電壓對地波形16直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)位置檢測波形電機(jī)的位置檢測波形圖如下所示，它是通過模擬中性點(diǎn) 10 得到的，經(jīng)過光耦隔離 輸入到單片機(jī)的霍爾接口，通過判斷單片機(jī)接口的電平來驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步伐，單片 機(jī)接口電平如表 2所示。圖 25為位置檢測的波形雖然有點(diǎn)毛刺， 但經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的 軟件濾波，仍然能夠好的識別電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并進(jìn)行電機(jī)的換相。圖 25 位置檢測波形表 2 位置檢測電平PA6PA7PB0十六進(jìn)制0010 x010110 x030100 x021100 x061000 x041010 x05電流波形直流無刷電機(jī)剛啟動時(shí)的電流非常大，此時(shí)容易燒壞電機(jī)

37、，因此要加保護(hù)電路， 驅(qū)動電路也要有足夠的電流驅(qū)動能力，否則電機(jī)轉(zhuǎn)不起來。示波器觀察的波形如何下 圖 26 所示，符合電機(jī)啟動的原理電流波形 11 。17直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖 26 電流波形圖實(shí)物圖圖 27 是動手焊的電路板，是直流無刷電機(jī)的驅(qū)動電路板，驅(qū)動電路用的集成 模塊 IPM 構(gòu)成。該電路很好的實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)的啟動、停止及轉(zhuǎn)速控制能功能。達(dá)到 了預(yù)期效果圖 27 實(shí)物圖18直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)結(jié)束語近年來，隨著電機(jī)技術(shù)和其相關(guān)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得無刷直流電機(jī)在工控 等很多領(lǐng)域得到了及其廣泛的應(yīng)用。我這次以無刷直流電機(jī)為設(shè)計(jì)對象，對無刷直流 電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相

38、對較為深入的學(xué)習(xí)，主要對以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行了學(xué)習(xí)： （ 1）學(xué)習(xí)了電機(jī)的理論控制技術(shù) 12 。（2）查找了一些電機(jī)控制 13 的書籍。（ 3）分析了常用的無刷直流電機(jī)位置控制方法及反電勢過零點(diǎn)檢測原理14 。（4）對電極控制算法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)闡述了速度環(huán)控制策略的原理15 。（ 5）設(shè)計(jì)硬件電路，設(shè)計(jì)了以 IPM 為核心的功率逆變電路，并設(shè)計(jì)了反電勢過零點(diǎn) 檢測電路。（6）編寫程控制系統(tǒng)軟件 16 ，對整套控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。 本文設(shè)計(jì)的無刷直流電機(jī)， 雖然取得了一點(diǎn)小小的成果。 但由于本人水平很有限， 期待以后進(jìn)一步的深入研究。需要進(jìn)行改進(jìn)的問題如下：（ 1）本課題設(shè)計(jì)位置檢測方法用的是反電勢法， 雖然該方法簡單可靠， 但它的理論前 提是在忽略電樞反應(yīng)的理想條件下建立的，因此在實(shí)際應(yīng)用中必定存在誤差，所以以 后要改進(jìn)。（ 2）無刷直流電機(jī)的啟動用的是三段式， 這個(gè)方法在電機(jī)空載或者輕負(fù)載情況下， 啟 動效果較好，成功率相對較高。但在電機(jī)重載時(shí)，啟動效果較差，所以以后要改進(jìn)。（ 3） 控制策略和控制算法的改進(jìn)。本課題用的是最需常見的速度環(huán)控制策略，而怎 樣將智能控制實(shí)際應(yīng)用到無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中還是分析的難