無刷直流電機驅動系統設計研究

　　作為機電一體化電機產品，無刷直流電機具有較好的可控性和寬調速范圍，應用極其廣泛，根據其控制系統的特點，分析和討論了無刷直流電機的控制系統，設計并實現了基于STM32F103ZET6控制器的無刷直流電機控制系統。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，實現了無刷直流電機的啟動停止控制、位置檢測和閉環調速三大主要功能。實驗結果證明，此控制系統成本較低廉，運行效果良好，性價比較高。

　　《江蘇電機工程》(雙月刊)創刊于1982年，是江蘇省電力公司和江蘇省電機工程學會主管、江蘇省電力科學研究院和江蘇省電機工程學會編輯工作委員會主辦的全國性科學技術刊物，本刊為國際大16開本，彩色封面插頁。

　　1 概述

　　隨著電子技術的發展，新型機電一體化電機即無刷直流電機出現了，它是現代電機技術、電子技術和控制理論相結合的產物。由于市場需要的增長，無刷直流電機廣泛應用于自動化裝置，航空航天，汽車，電子消費，醫療設備，辦公自動化及日常生活等各領域。無刷直流電機(即BLDCM)可想象成一個定轉子倒置的直流電動機，其中永久磁性在轉子上，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，不需要經常維護。具有高轉速、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。這些優點使得它得到迅速的發展和普及，現在已經成為最具有發展前途的電機產品[1]。

　　按照無刷直流電機的工作原理，電子開關的換相取決于轉子磁極位置信號，目前主要有兩類技術能夠得到轉子位置信號。第一類技術是采用無位置傳感器的控制技術，其核心內容是通過間接的轉子位置信號的檢測，代替直接用轉子位置傳感器獲取轉子位置磁極信號。事實上，無位置傳感器控制技術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構復雜性。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，這種方法的優點：在控制過程中不需要獲取轉速信息，只需要調節門限值的大小來實現無刷電機的滯后換相或超前，對開關信號也不是很敏感;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，優點是相位延遲較小，轉速適用范圍較大;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生了誤差[5-6]。

　　第二類技術是通過安裝位置傳感器獲取轉子信號，比如霍爾元件，該技術被廣泛采用。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)，轉子每旋轉60度(120度)電度角，則某個霍爾器件改變其狀態，那么與之相對應的逆變器內的某一相的開關狀態隨著更新變化一次，如此開關狀態變化六次(或稱六步)就完成了一個電氣周轉，霍爾器件輸出響應的“0”和“1”兩種狀態的方波，從而判斷轉子繞組的位置[7-8]。霍爾傳感器具有尺寸小、質量輕、制造成本低、方便大規模生產等多個優點，符合本設計的設計需求，本系統中采用霍爾傳感器來測量轉子的位置信息[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]，這種控制是早先發展起來的一種控制策略，具有諸多優點如算法成熟簡單、可靠性高、穩定性好等，因此被廣泛應用于控制系統中，據統計，工業控制方面的控制器中有多達90%的PID類型的控制器。

　　2 系統設計

　　無刷直流電機(BLDCM)由三相定子和轉子組成，定子繞組感應磁場與轉子磁場相互作用產生力矩使電機轉動。控制無刷電機轉動，必須知道轉子的當前位置，本文控制系統中采用霍爾傳感器來測量轉子的位置信息，由3個霍爾元件產生的電平的時序來判斷此刻的轉子位置，并對相應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，由此驅動電機轉動[1][7]。

　　2.1 系統硬件實現

　　2.1.1 器件選擇

　　系統以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轉換通道，適合用于電機控制的設計。在實際使用過程中，若要使用某模塊功能，只要配置好相應的模塊寄存器就行，并不需要編寫復雜的相應程序，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的問題，可以進行方便及時的調試和維護[11-14]。另外，該芯片外部引腳豐富，本系統只使用了少量引腳，其他部分可留做更多擴展功能的開發應用。

　　2.1.2 硬件功能設計

　　本控制系統由電源部分，驅動電路，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據，實現BLDCM的控制算法，以及輸出無刷電機旋轉所需要的脈沖信號，主控芯片STM32則根據給定的指令生成相應的PWM脈沖信號，以此控制驅動系統的開關時間，使無刷直流電機的轉速達到預期值。

　　(1)驅動電路

　　驅動部分選用芯片A4931，它是一款完善的三相無刷直流電機的前置驅動器，該設備可驅動多種N溝道的功率場效應晶體管(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邏輯，并且具備轉子鎖定保護功能。A4931輸出電流的大小取決于外部MOSFET的容量。轉子鎖定保護檢測延時由連至CLD引腳的外部電容來設置。ENABLE，DIRECTION，BRAKE輸入可用于控制電機的轉速，位置與轉矩。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，也可利用芯片內建的PWM電流調節器實現。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的MOSFET，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為高電平關閉合適的驅動，負載電流開始衰減。如果ENB保持低電平，電流會持續增加，直到達到內部電流控制電路設置的水平。典型的PWM頻率在20KHz到30KHz之間，調節占空比可控制速度。可利用主控芯片STM32的定時器TIM產生PWM信號控制電機運行，調整PWM信號的占空比就可以改變無刷電機的轉速。

　　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。

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

　　場效應管采用雙N溝道邏輯電平的FDS8949，具有高功率和電流處理能力，與驅動芯片A4931一起組成了無刷直流電機的驅動部分，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閉環控制，用于檢測運動系統的位置和速度。它是直接利用光電轉換原理每轉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，根據延遲關系可以區別正反轉，即如果A相超前B相，那么電機的旋轉方向就是正向的。如果A相落后B相，那么電機的旋轉方向就是反向的，Z相稱為索引脈沖，每轉一圈產生一個脈沖，作為基準用來確定絕對位置。

　　在本設計中，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，將其設置為外部中斷捕獲模式。

　　系統中使用的是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的脈沖數，可計算出當前速度，使得轉速檢測精度大大提高，轉速誤差大大降低。

　　(3)速度PID調節

　　PID控制算法是控制理論中最成熟的一種控制算法，也是生產過程中最普遍采用的控制方法，在機械、機電、化工等行業中得到了廣泛的應用。繞組內電流的大小決定著電機的轉速，通過控制芯片輸出可調的PWM信號控制開關管通斷，改變繞組電流達到調速的目的。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，機器出現問題時影響范圍較小，不會嚴重影響生產過程，滿足無刷直流電機的要求，所以本系統選擇增量式PID控制算法[15]。

　　2.2系統軟件實現

　　系統程序主要由硬件初始化，位置檢測，換相，速度檢測，速度PID調節等組成。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子的位置信息，只要設定需要的圈數和轉速，通過串口通信，就能夠控制電機在預定轉速下完成預定的圈數后自動停下來。換相是經過檢測單片機IO口霍爾電平狀態來計算轉子位置，并根據當前轉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速，并轉換成相應占空比的PWM信號對無刷電機進行調速控制，保證系統良好的靜態特性和動態特性，為了滿足實時性控制要求，程序大部分在中斷中調用。

　　閉環調速過程即速度PID調節，進入閉環調速過程后，先要計算實際轉速，在進行過流檢測，判斷當前電流是否超過設定的故障電流，若電流超過設定的故障電流，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速度閉環調節，當速度達到指定速度且不過流時退出閉環調節過程。

　　3 結論

　　實驗結果表明，本文中控制系統能夠實現對無刷直流電機的相關控制，結合精確的PID算法，能夠很好地控制電機的轉速，且運行穩定。通過串口通信，使得該系統具有良好的啟動停止、換相、調速特性，無刷直流電機運行穩定可靠。使用STM32設計無刷直流電機的驅動控制系統，系統程序精簡，硬件設計結構簡單，成本較低，系統可靠性高，有較高實用性，可推廣使用。

　　經過長時間的實踐證明，本系統相關器件的設計是合理的。最終結論：系統方案具有可行性、實用性，且安全可靠。

　　參考文獻：

　　[1] 譚建成.永磁無刷直流電機技術[M].機械工業出版社，2011.

　　[2] 周武，普清明，尚重陽.無刷直流電動機的反電動勢積分法位置檢測技術研究[J].工礦自動化，2009(8)：63-65.

　　[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設計[D].南京信息工程大學，2016.