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

　　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(fù)雜性而降低電機結(jié)構(gòu)復(fù)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] 。

　　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] 。霍爾傳感器具有尺寸小、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] 。

　　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。控制無刷電機轉(zhuǎn)動，必須知道轉(zhuǎn)子的當(dāng)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(fù)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(yù)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 EN⁃ ABLE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(dāng)?shù)? 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。

　　(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。

　　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(yù)定轉(zhuǎn)速下完成預(yù)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(dāng)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(yù)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。

　　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：

　　[1] 譚建成.永磁無刷直流電機技術(shù)[M].機械工業(yè)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(shù)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.

　　《無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計研究》來源：《電腦知識與技術(shù)》，作者：金浩然，孫祥娥。