【摘 要】以直接轉矩控制技術為理論依據，結合永磁無刷直流電機的結構和工作特性，設計了一套以STM32F103RCT6為核心的無刷直流電機的控制系統(tǒng)，實現減小電機轉矩脈動，提高動態(tài)響應的目的。

【關鍵詞】無刷直流電機 直接轉矩 SDK軟件庫

無刷直流電機采用電子換向，比使用電刷的傳統(tǒng)直流電機噪聲低、壽命更長，更耐用。隨著電力電子技術不斷進步，新型高性能永磁材料不斷涌現，推動了無刷直流電機的發(fā)展和廣泛應用。無刷直流電機電機換向時會有轉矩波動，這是其運行時的主要缺點。本文以直接轉矩為理論基礎，在分析其原理的基礎上，應用ST公司開發(fā)的電機控制軟件庫（STM32 PMSM FOC Firmware Library）設計了一套以STM32F103RCT6為核心的無刷直流電機的控制系統(tǒng)，以期抑制電機的脈動轉矩，提高動態(tài)響應特性。

直接轉矩控制系統(tǒng)簡稱DTC（Direct Torque Control）系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調速系統(tǒng)。在它的轉速環(huán)里面，利用轉矩反饋直接控制電動機的電磁轉矩。直接轉矩控制技術在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復雜、特性易受電動機參數變化的影響、實際性能難以達到理論分析結果的一些重大問題。

一、控制系統(tǒng)的硬件設計

ST公司為電機控制用戶開發(fā)了一套軟件庫，名為STM32 PMSM FOC Firmware Library簡稱SDK，包括電機控制軟件庫，以及PC端軟件workbench，可以用來配置相關參數，簡化編程。本文依靠SDK軟件庫模塊，選用ST公司的STM32F103RCT6芯片，設計了一套無刷直流電機的控制系統(tǒng)，來實現無刷直流電機的直接轉矩控制，其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，定子三相電流采用電流傳感器法。定子三相電壓的測量采用電阻采樣的方法，并經過比例運算電路轉換到ARM可以識別的電壓范圍，并經AD轉換測得真實值。

（一）逆變橋電路。逆變橋將恒定的直流電流變成矩形波，通過改變上下橋臂功率管導通順序及導通時間，控制流入電機的電流，從而使電機準確換相并且能變頻調速。逆變橋由功率管V1-V6組成，系統(tǒng)采用絕緣柵極管IGBT。

（二）電流檢測電路。SDK庫提供多種電流檢測方法，本系統(tǒng)采用傳感器法，電流檢測的原理是通過霍爾元件，將電流按照1000：1變到副邊，然后經過電阻變?yōu)殡妷盒盘?，再經過比例運算電路將電壓穩(wěn)定在0-3.3V，DZ1、DZ2起到限幅作用。其輸出直接接到ARM的AD轉換的IO口上。

（三）電壓檢測電路。電機的額定電壓為60V，ARM自帶的AD可以轉換的電壓大小為3.3V，所以在電路中通過兩個反向比例運算電路，將60V電壓按照1/10的比例變成6V，在經過滑動變阻器分壓，送入電壓跟隨器，輸出給ARM。

二、控制系統(tǒng)軟件設計

主函數是程序的核心，主要完成系統(tǒng)時鐘配置和各模塊的初始化，并合理安排各個模塊的調用順序，完成整個系統(tǒng)的設計任務。系統(tǒng)需要通過一個按鍵將速度給定值送入ARM，因此在程序中使用外部中斷功能來實現。即在中斷服務函數中只需將相應變量的數值送入ASR模塊即可。在顯示模塊中需要讀取滑動變阻器的分壓值，并將其轉換為速度的給定值，顯示在LCD屏幕上。

轉矩模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，在該模塊中要實現轉矩的計算，以及轉矩的滯環(huán)比較功能。

三、結論

圍繞著直接轉矩控制原理，設計了無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序。根據無刷直流電機的特點對直接轉矩進行了改進，去掉了磁鏈觀測模塊，通過霍爾元件來控制電機換向。利用SDK軟件庫，選用了PID調節(jié)、速度測量以及Clark變換等模塊，設計了系統(tǒng)主函數、磁鏈計算、轉矩計算和電壓矢量選擇等模塊程序，系統(tǒng)可以實現減小電機轉矩脈動，提高動態(tài)響應。

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