金浩然 孫祥娥

摘要：作為機電一體化電機產(chǎn)品，無刷直流電機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，分析和討論了無刷直流電機的控制系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于STM32F103ZET6控制器的無刷直流電機控制系統(tǒng)。運用該芯片的GPIO模塊、PWM模塊和定時器模塊等，并加入高效的PID算法，實現(xiàn)了無刷直流電機的啟動停止控制、位置檢測和閉環(huán)調(diào)速三大主要功能。實驗結(jié)果證明，此控制系統(tǒng)成本較低廉，運行效果良好，性價比較高。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機；STM32F103ZET6；控制系統(tǒng)；PID算法

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0239-03

1 概述

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，新型機電一體化電機即無刷直流電機出現(xiàn)了，它是現(xiàn)代電機技術(shù)、電子技術(shù)和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物。由于市場需要的增長，無刷直流電機廣泛應(yīng)用于自動化裝置，航空航天，汽車，電子消費，醫(yī)療設(shè)備，辦公自動化及日常生活等各領(lǐng)域。無刷直流電機（即BLDCM）可想象成一個定轉(zhuǎn)子倒置的直流電動機，其中永久磁性在轉(zhuǎn)子上，而繞線在定子上。相對于有刷直流電機，該電機沒有電刷和換向器的火花、磨損問題，不需要經(jīng)常維護。具有高轉(zhuǎn)速、高效率、高可靠性、能耗低、噪音低、壽命超長、可伺服控制、簡單易用和較低成本的特點。這些優(yōu)點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)展前途的電機產(chǎn)品[1]。

按照無刷直流電機的工作原理，電子開關(guān)的換相取決于轉(zhuǎn)子磁極位置信號，目前主要有兩類技術(shù)能夠得到轉(zhuǎn)子位置信號。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)子位置信號的檢測，代替直接用轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置磁極信號。事實上，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，增加了控制的復雜性而降低電機結(jié)構(gòu)復雜性。位置檢測方法及電路主要包括：反電動勢過零點法，反電動勢比較法、3次諧波反電動勢檢測法、反電動勢積分檢測法，續(xù)流二極管法等等[1]。

反電動勢積分檢測法是比較門限值和懸空相反電動勢的積分量，某相繞組的換相時刻是當積分量與門限值相等的時候，這種方法的優(yōu)點：在控制過程中不需要獲取轉(zhuǎn)速信息，只需要調(diào)節(jié)門限值的大小來實現(xiàn)無刷電機的滯后換相或超前，對開關(guān)信號也不是很敏感；但是也存在缺點，就是有積分累計誤差和門限值設(shè)置問題[2-4]。反電動勢3次諧波檢測法通過反電勢的3次諧波來決定電機的換相時刻，優(yōu)點是相位延遲較小，轉(zhuǎn)速適用范圍較大；但是因為低速噪音信號的不斷積累，往往會造成換相不準確，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，比如霍爾元件，該技術(shù)被廣泛采用。利用三個霍爾器件（圓周空間配置有兩個方案：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，則某個霍爾器件改變其狀態(tài)，那么與之相對應(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]?；魻杺鞲衅骶哂谐叽缧?、質(zhì)量輕、制造成本低、方便大規(guī)模生產(chǎn)等多個優(yōu)點，符合本設(shè)計的設(shè)計需求，本系統(tǒng)中采用霍爾傳感器來測量轉(zhuǎn)子的位置信息[9]。

在控制算法方面， BLDCM（無刷直流電機）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)點如算法成熟簡單、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，工業(yè)控制方面的控制器中有多達90%的PID類型的控制器。

2 系統(tǒng)設(shè)計

無刷直流電機（BLDCM）由三相定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組感應(yīng)磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生力矩使電機轉(zhuǎn)動?？刂茻o刷電機轉(zhuǎn)動，必須知道轉(zhuǎn)子的當前位置，本文控制系統(tǒng)中采用霍爾傳感器來測量轉(zhuǎn)子的位置信息，由3個霍爾元件產(chǎn)生的電平的時序來判斷此刻的轉(zhuǎn)子位置，并對相應(yīng)的定子繞組進行通電。每一次換相都會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)動電機轉(zhuǎn)動[1][7]。

2.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1.1 器件選擇

系統(tǒng)以STM32F103ZET6（以下簡稱STM32）為主控芯片，STM32具有豐富的PWM通道、高級定時器和AD轉(zhuǎn)換通道，適合用于電機控制的設(shè)計。在實際使用過程中，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，遇到運行過程中出現(xiàn)的問題，可以進行方便及時的調(diào)試和維護[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展功能的開發(fā)應(yīng)用。

2.1.2 硬件功能設(shè)計

本控制系統(tǒng)由電源部分，驅(qū)動電路，STM32微控制器，位置、速度檢測，計算機串口通信等組成。STM32可以處理采集收回的電流和位置信號等各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)BLDCM的控制算法，以及輸出無刷電機旋轉(zhuǎn)所需要的脈沖信號，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，以此控制驅(qū)動系統(tǒng)的開關(guān)時間，使無刷直流電機的轉(zhuǎn)速達到預期值。

（1）驅(qū)動電路

驅(qū)動部分選用芯片A4931，它是一款完善的三相無刷直流電機的前置驅(qū)動器，該設(shè)備可驅(qū)動多種N溝道的功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。支持的馬達供電電壓高達30V。換相邏輯由相隔120度三個霍爾元件的輸入信號決定。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)子鎖定保護檢測延時由連至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，通過ENABLE輸入腳對MOSFET進行PWM控制，也可利用芯片內(nèi)建的PWM電流調(diào)節(jié)器實現(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開通適當?shù)腗OSFET，避免無謂的功率損耗。下面簡單介紹幾個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，ENB為高電平關(guān)閉合適的驅(qū)動，負載電流開始衰減。如果ENB保持低電平，電流會持續(xù)增加，直到達到內(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?？衫弥骺匦酒琒TM32的定時器TIM產(chǎn)生PWM信號控制電機運行，調(diào)整PWM信號的占空比就可以改變無刷電機的轉(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（DIR）：通過高低電平控制馬達方向。

具有可驅(qū)動6個N溝道的功率MOSFET，對低功率耗散同步整流，內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）和過熱關(guān)機電路，霍爾元件輸入，PWM電流限制，停機時間保護，F(xiàn)G輸出，待機模式，鎖定檢測保護等功能和特點。

場效應(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)動芯片A4931一起組成了無刷直流電機的驅(qū)動部分，如圖1 所示。

（2）位置、速度檢測電路

正交編碼器，又名增量式編碼器或光電式編碼器，可以對多種電機實現(xiàn)閉環(huán)控制，用于檢測運動系統(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脈沖信號，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，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，那么電機的旋轉(zhuǎn)方向就是正向的。如果A相落后B相，那么電機的旋轉(zhuǎn)方向就是反向的，Z相稱為索引脈沖，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖，作為基準用來確定絕對位置。

在本設(shè)計中，將霍爾傳感器的三個引腳與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IO口對正交編碼器輸出脈沖波形進行雙邊沿檢測，通過定時器累計一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，可計算出當前速度，使得轉(zhuǎn)速檢測精度大大提高，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，在機械、機電、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的轉(zhuǎn)速，通過控制芯片輸出可調(diào)的PWM信號控制開關(guān)管通斷，改變繞組電流達到調(diào)速的目的。相對于位置式PID算法，增量式PID算法不需要累加誤差，能達到比較好的控制效果，機器出現(xiàn)問題時影響范圍較小，不會嚴重影響生產(chǎn)過程，滿足無刷直流電機的要求，所以本系統(tǒng)選擇增量式PID控制算法[15]。

2.2系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)程序主要由硬件初始化，位置檢測，換相，速度檢測，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，定時器TIM等。位置檢測主要是通過單片機IO口檢測編碼器輸出脈沖信號來確定轉(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，就能夠控制電機在預定轉(zhuǎn)速下完成預定的圈數(shù)后自動停下來。換相是經(jīng)過檢測單片機IO口霍爾電平狀態(tài)來計算轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)當前轉(zhuǎn)子的位置信息改變電流流向。同時間隔一段時間讀取預定的轉(zhuǎn)速，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)占空比的PWM信號對無刷電機進行調(diào)速控制，保證系統(tǒng)良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，為了滿足實時性控制要求，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)，進入閉環(huán)調(diào)速過程后，先要計算實際轉(zhuǎn)速，在進行過流檢測，判斷當前電流是否超過設(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輸出達到減小電流的目的，再比較當前速度和給定速度實現(xiàn)速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，當速度達到指定速度且不過流時退出閉環(huán)調(diào)節(jié)過程。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，本文中控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對無刷直流電機的相關(guān)控制，結(jié)合精確的PID算法，能夠很好地控制電機的轉(zhuǎn)速，且運行穩(wěn)定。通過串口通信，使得該系統(tǒng)具有良好的啟動停止、換相、調(diào)速特性，無刷直流電機運行穩(wěn)定可靠。使用STM32設(shè)計無刷直流電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)程序精簡，硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，系統(tǒng)可靠性高，有較高實用性，可推廣使用。

經(jīng)過長時間的實踐證明，本系統(tǒng)相關(guān)器件的設(shè)計是合理的。最終結(jié)論：系統(tǒng)方案具有可行性、實用性，且安全可靠。

參考文獻：

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[3] 李聲晉，馬暉，盧剛，等.基于反電勢積分補償法的無刷直流電動機控制[J].微特電機，2008，06：37-39.

[4] 趙偉.基于STM32的無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計[D].南京信息工程大學，2016.