東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 羅浩文 劉 鑫 張 欣 邢志方 韓 建

0.引言

近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)在機(jī)械控制、自動(dòng)化、汽車(chē)以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。無(wú)刷直流電機(jī)不僅具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，還可以低速大功率運(yùn)行。無(wú)論是驅(qū)動(dòng)航模高速螺旋槳還是機(jī)械的精確定位，其都可以通過(guò)SVPWM算法得到優(yōu)良的控制效果。

SVPWM的控制效果不僅與軟件相關(guān)，硬件的設(shè)計(jì)更是影響控制效果的一大重要因素。硬件電路由單片機(jī)及外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零電路四部分構(gòu)成，軟件部分是通過(guò)STM32F103C8T6對(duì)電流、反電動(dòng)勢(shì)的參數(shù)進(jìn)行采集并完成SVPWM計(jì)算與輸出，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)控制。

1.整體方案

整個(gè)裝置由單片機(jī)及外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路四部分構(gòu)成，單片機(jī)利用電流檢測(cè)電路、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路確定電機(jī)當(dāng)前相位并輸出相應(yīng)相位PWM波形，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于對(duì)電機(jī)不同相位進(jìn)行電壓切換，其整體框圖如圖1所示。

圖1 電路設(shè)計(jì)總體框圖

為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)和降低成本，在不增加傳感器的情況下，本電路利用無(wú)刷直流電機(jī)未供電相線的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)子所處相位進(jìn)行位置檢測(cè)[1]。選擇STM32F103C8T6單片機(jī)為電路的核心控制器，其內(nèi)部集成了該電路控制所需的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、DMA直接數(shù)據(jù)存取模塊、TIM定時(shí)器模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊，在提升控制性能的同時(shí)極大的簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路由單片機(jī)及外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路四部分構(gòu)成。單片機(jī)及外圍電路完成整個(gè)電路的控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出三相電流對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電流檢測(cè)、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)完成電機(jī)電流及相位的檢測(cè)。

2.1 單片機(jī)及外圍電路

控制電路采用ST公司的32位微處理器STM32F103C8T6為核心控制芯片，其內(nèi)核為ARM Cortex-M3系列。該系列的單片機(jī)低工作電壓，時(shí)鐘主頻高高達(dá)72MHz以及內(nèi)置硬件12位精度ADC、PWM等電路。該電路為單片機(jī)工作的基礎(chǔ)電路。單片機(jī)由3.3V電源供電，復(fù)位電路采用RC充放電電路，采用8MHz的無(wú)源晶振作為時(shí)鐘輸入。采用第10～14腳作為ADC0～ADC4輸入，第16～18腳作為3路PWM輸出，第19～21作為驅(qū)動(dòng)電路的輸出使能控制IO口。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用了德州儀器的DVR8313集成驅(qū)動(dòng)電路，該電路集成了無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的3個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路。它主要用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相無(wú)刷直流電機(jī)。每個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器通道包含采用半H橋配置的N通道MOSFET，在半H橋的每個(gè)通道上提供高達(dá)2.5A峰值電流或者1.75A均方根輸出電流，供電電壓范圍為8V至60V。除此之外，該集成驅(qū)動(dòng)電路還實(shí)現(xiàn)了短路保護(hù)、欠壓閉鎖、過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)。因此，驅(qū)動(dòng)電路可以適用于大多數(shù)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況。該驅(qū)動(dòng)電路只需要幾個(gè)外圍元件即可工作，驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。軟件控制也十分簡(jiǎn)單通過(guò)3個(gè)IO口控制輸出使能，在利用3路PWM控制各相輸出。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路采用大功率的高精密采樣電阻，電阻值為1歐，采樣電路如圖3所示[4]。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，流過(guò)電機(jī)的電流會(huì)經(jīng)由R2到GND，此時(shí)會(huì)在R2上產(chǎn)生一個(gè)分壓。利用STM32內(nèi)部ADC通過(guò)電阻R1與電容C5構(gòu)成一個(gè)一階低通濾波器對(duì)電壓采集，程序中通過(guò)換算得到電流值。將電路的CURRENT連接與驅(qū)動(dòng)電路的下半橋即驅(qū)動(dòng)電路的PGND，將ADC_IN連接于STM32單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADC0。

圖3 電流檢測(cè)電路

2.4 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路

反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，需要不停比較中點(diǎn)電壓和A相、B相、C相三個(gè)端點(diǎn)的電壓，以截獲每相感生電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零事件。由于這三個(gè)過(guò)零事件產(chǎn)生的時(shí)間不同，如果能在比較器的輸入端不斷地切換這三個(gè)端點(diǎn)電壓，那其實(shí)只要復(fù)用一個(gè)比較器就可以了[3]。STM32單片機(jī)具備多個(gè)模擬量輸入通道，并且具備掃描模式，可以自動(dòng)連續(xù)掃描采集各通道的電壓值。

反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路如圖4所示[4]，將OUTA、OUTB、OUTC連接與驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)三相線的結(jié)點(diǎn)處，BEF_A、BEF_B、BEF_C、NEUTRAL分別與STM32單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADC1～ADC4。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，未通電的相線的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)在通過(guò)該電路的作用產(chǎn)生模擬的電壓過(guò)零跳變，通過(guò)該過(guò)零跳變確定當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并以此為依據(jù)計(jì)算合理的電機(jī)換相時(shí)間。

圖4 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件利用MDK-RAM軟件編寫(xiě)，利用STM32內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)和反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)，最終達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。利用TIM觸發(fā)ADC定時(shí)采樣和PWM的時(shí)鐘頻率。通過(guò)配置PWM完成3路PWM輸出。DMA則用于ADC采樣數(shù)據(jù)的直接數(shù)據(jù)存取。

SVPWM是一種新型控制方法，利用驅(qū)動(dòng)電路的功率元件實(shí)現(xiàn)三相脈寬調(diào)制波驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)。其原理是利用兩個(gè)非零電壓矢量和一個(gè)零電壓矢量在時(shí)間上的組合來(lái)得到空間中的合成電壓矢量，使電壓矢量在空間中接近圓形旋轉(zhuǎn)。

設(shè)相電壓有效值為U為相電壓的有效值，則：

其中，，則三相電壓空間矢量相加合成空間矢量U(t)就可表示為：

空間電壓矢量由兩個(gè)相鄰的非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0來(lái)進(jìn)行合成，設(shè)Tx、Ty、T0為個(gè)電壓矢量作用時(shí)間，則其合成可等效為：

設(shè)三相電壓合成的旋轉(zhuǎn)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角速度為，則電壓矢量旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間：

若PWM頻率為fs，則PWM和電壓旋轉(zhuǎn)矢量的頻率比為：

R表示將電壓旋轉(zhuǎn)矢量切割成R個(gè)小分量，因此每一個(gè)小分量的角度：

以此便可求出每個(gè)分電壓矢量的作用時(shí)間?？臻g中電壓矢量與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示[3]：

表1 電壓矢量與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

本驅(qū)動(dòng)電路利用了STM32單片機(jī)內(nèi)部的ADC、DMA、TIM、PWM模塊，因此上電后需對(duì)這些模塊進(jìn)行配置。ADC模塊配置成獨(dú)立模式、使能掃描通道、數(shù)據(jù)右對(duì)齊、TIM1觸發(fā)。將DMA模塊通道1使能，外設(shè)基地址為ADC基地址，內(nèi)存地址為ADC數(shù)據(jù)數(shù)組的首地址，開(kāi)啟循環(huán)模式，接收一次數(shù)據(jù)目標(biāo)地址自動(dòng)加1。TIM則配置成需要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率，此處為16KHz。PWM配置成模式2，使能輸出、重裝，輸出極性設(shè)置為低電平。用到的使能I/O口配置成推挽模式50MHz輸出，其他復(fù)用IO口根據(jù)模塊需要配置成手冊(cè)要求的模式[4,5]。

將各個(gè)功能模塊配置完成后，在主程序中完成初始化并檢測(cè)，檢測(cè)成功后再向下執(zhí)行。剛開(kāi)始時(shí)，需軟件確定轉(zhuǎn)位置。其方法為先讓AB相線通電足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使轉(zhuǎn)子在AB位置定下來(lái)，并以此位置為其實(shí)位置進(jìn)行依次換相，每次換向時(shí)間縮短，直到反電動(dòng)勢(shì)穩(wěn)定。其換向時(shí)間可寫(xiě)成Tn=An-1T1其中

電機(jī)啟動(dòng)完成后，反電動(dòng)勢(shì)趨于穩(wěn)定，此后利用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)完成電機(jī)的換向。每次檢測(cè)到了相線的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零事件，則重新計(jì)算SVPWM，配置PWM輸出寄存器完成PWM輸出更新。通過(guò)過(guò)流檢測(cè)檢測(cè)電機(jī)工作狀態(tài)，防止電流過(guò)大或者短路。

4.結(jié)論

本文采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控芯片和DVR8313集成半橋驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)SVPWM驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)的分析了電路的構(gòu)成和軟件的設(shè)計(jì)流程。測(cè)試結(jié)果表明，該電路驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)75V驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)1.70A。在無(wú)傳感器反饋的情況下，可以非常精確的控制無(wú)刷電機(jī)位置，能夠滿足大多數(shù)無(wú)刷直流電機(jī)使用環(huán)境。

[1]郭浪千.無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)SVPWM的研究與設(shè)計(jì)[D].中南林業(yè)科技大學(xué),2017.

[2]趙白鴿.基于線反電勢(shì)估算的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.

[3]黨璇.基于STM32的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究[D].安徽工業(yè)大學(xué),2017.

[4]宋宏帥,王佐勛.基于SVPWM的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2018,32(02):27-32.

[5]戚偉.基于ATmega8的無(wú)刷直流電機(jī)電調(diào)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(20):11-13.