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，無刷直流電機(jī)在機(jī)械控制、自動化、汽車以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。無刷直流電機(jī)不僅具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點，還可以低速大功率運行。無論是驅(qū)動航模高速螺旋槳還是機(jī)械的精確定位，其都可以通過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)動電路、電流檢測電路、反電動勢過零電路四部分構(gòu)成，軟件部分是通過STM32F103C8T6對電流、反電動勢的參數(shù)進(jìn)行采集并完成SVPWM計算與輸出，最終實現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制。

1.整體方案

整個裝置由單片機(jī)及外圍電路、電機(jī)驅(qū)動電路、電流檢測電路、反電動勢檢測電路四部分構(gòu)成，單片機(jī)利用電流檢測電路、反電動勢檢測電路確定電機(jī)當(dāng)前相位并輸出相應(yīng)相位PWM波形，電機(jī)驅(qū)動電路用于對電機(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)計總體框圖

為了簡化電路結(jié)構(gòu)和降低成本，在不增加傳感器的情況下，本電路利用無刷直流電機(jī)未供電相線的反電動勢對轉(zhuǎn)子所處相位進(jìn)行位置檢測[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定時器模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊，在提升控制性能的同時極大的簡化了電路結(jié)構(gòu)。

2.硬件電路設(shè)計

硬件電路由單片機(jī)及外圍電路、電機(jī)驅(qū)動電路、電流檢測電路、反電動勢檢測電路四部分構(gòu)成。單片機(jī)及外圍電路完成整個電路的控制，電機(jī)驅(qū)動電路輸出三相電流對無刷直流電機(jī)驅(qū)動，電流檢測、反電動勢檢測完成電機(jī)電流及相位的檢測。

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的無源晶振作為時鐘輸入。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)動電路的輸出使能控制IO口。

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路

無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路采用了德州儀器的DVR8313集成驅(qū)動電路，該電路集成了無刷直流電機(jī)驅(qū)動所需的3個半橋驅(qū)動電路。它主要用于驅(qū)動一個三相無刷直流電機(jī)。每個輸出驅(qū)動器通道包含采用半H橋配置的N通道MOSFET，在半H橋的每個通道上提供高達(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)動電路還實現(xiàn)了短路保護(hù)、欠壓閉鎖、過流保護(hù)和過溫保護(hù)。因此，驅(qū)動電路可以適用于大多數(shù)無刷直流電機(jī)驅(qū)動情況。該驅(qū)動電路只需要幾個外圍元件即可工作，驅(qū)動電路如圖2所示。軟件控制也十分簡單通過3個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)動電路

2.3 電流檢測電路

電流檢測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)動時，流過電機(jī)的電流會經(jīng)由R2到GND，此時會在R2上產(chǎn)生一個分壓。利用STM32內(nèi)部ADC通過電阻R1與電容C5構(gòu)成一個一階低通濾波器對電壓采集，程序中通過換算得到電流值。將電路的CURRENT連接與驅(qū)動電路的下半橋即驅(qū)動電路的PGND，將ADC_IN連接于STM32單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADC0。

圖3 電流檢測電路

2.4 反電動勢檢測電路

反電動勢檢測，需要不停比較中點電壓和A相、B相、C相三個端點的電壓，以截獲每相感生電動勢的過零事件。由于這三個過零事件產(chǎn)生的時間不同，如果能在比較器的輸入端不斷地切換這三個端點電壓，那其實只要復(fù)用一個比較器就可以了[3]。STM32單片機(jī)具備多個模擬量輸入通道，并且具備掃描模式，可以自動連續(xù)掃描采集各通道的電壓值。

反電動勢檢測電路如圖4所示[4]，將OUTA、OUTB、OUTC連接與驅(qū)動電路與電機(jī)三相線的結(jié)點處，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)動時，未通電的相線的反電動勢會在通過該電路的作用產(chǎn)生模擬的電壓過零跳變，通過該過零跳變確定當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并以此為依據(jù)計算合理的電機(jī)換相時間。

圖4 反電動勢過零檢測電路

3.軟件設(shè)計

軟件利用MDK-RAM軟件編寫，利用STM32內(nèi)部ADC實現(xiàn)電流檢測和反電動勢過零檢測，最終達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測。利用TIM觸發(fā)ADC定時采樣和PWM的時鐘頻率。通過配置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)動電路的功率元件實現(xiàn)三相脈寬調(diào)制波驅(qū)動無刷直流電機(jī)。其原理是利用兩個非零電壓矢量和一個零電壓矢量在時間上的組合來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相鄰的非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0來進(jìn)行合成，設(shè)Tx、Ty、T0為個電壓矢量作用時間，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個小分量，因此每一個小分量的角度：

以此便可求出每個分電壓矢量的作用時間。空間中電壓矢量與開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系如表1所示[3]：

表1 電壓矢量與開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系

本驅(qū)動電路利用了STM32單片機(jī)內(nèi)部的ADC、DMA、TIM、PWM模塊，因此上電后需對這些模塊進(jìn)行配置。ADC模塊配置成獨立模式、使能掃描通道、數(shù)據(jù)右對齊、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，開啟循環(huán)模式，接收一次數(shù)據(jù)目標(biāo)地址自動加1。TIM則配置成需要的電機(jī)驅(qū)動頻率，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要求的模式[4,5]。

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

電機(jī)啟動完成后，反電動勢趨于穩(wěn)定，此后利用反電動勢過零信號完成電機(jī)的換向。每次檢測到了相線的反電動勢過零事件，則重新計算SVPWM，配置PWM輸出寄存器完成PWM輸出更新。通過過流檢測檢測電機(jī)工作狀態(tài)，防止電流過大或者短路。

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)動芯片設(shè)計了一個無刷直流電機(jī)SVPWM驅(qū)動電路，詳細(xì)的分析了電路的構(gòu)成和軟件的設(shè)計流程。測試結(jié)果表明，該電路驅(qū)動電壓可達(dá)75V驅(qū)動電流可達(dá)1.70A。在無傳感器反饋的情況下，可以非常精確的控制無刷電機(jī)位置，能夠滿足大多數(shù)無刷直流電機(jī)使用環(huán)境。

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

[2]趙白鴿.基于線反電勢估算的無刷直流電機(jī)無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[J].齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2018,32(02):27-32.

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