基于STM32的無刷直流電動機控制器設(shè)計

王勁，桑凌峰

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江寧波 315800）

0 引言

服務(wù)機器人的電動機多為直流電動機，直流電動機分為無刷直流電動機控制和有刷直流電動機控制，其中有刷直流電動機的控制現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟[5-6]，且有刷電動機存在機械換向問題，因此壽命較短；無刷電動機采用電子換向的方式，具有響應(yīng)快、效率高、噪聲小等優(yōu)點，因此已經(jīng)在服務(wù)機器人行業(yè)廣泛應(yīng)用[7-11]。

在采用多電動機進(jìn)行驅(qū)動時，往往需要進(jìn)行多電動機的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)電動機的主動控制、被動控制及跟隨控制，因此在進(jìn)行電動機控制器設(shè)計時，不僅需要考慮位置控制、速度控制，還需要電流控制[12-14]。基于此，本文采用STM32芯片設(shè)計了一款控制器，該控制器可以實現(xiàn)位置控制、速度控制及電流控制，并能實時實現(xiàn)這3種模式的切換。

1 無刷直流電動機控制工作原理

1.1 無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型

無刷直流電動機單相定子繞組的電壓平衡方程可以通過下式進(jìn)行表述：

通過上述狀態(tài)方程，可以把無刷電動機等效為圖1所示電路。

圖1 無刷電動機等效電路

因此可以得到無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為

由于無刷直流電動機在每次通電時，僅有兩相繞組可以得電，因此可以得到

通過無刷電動機的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以看出，我們可以通過控制無刷電動機通電繞組的電流及通電繞組兩端的電壓來控制無刷電動機的速度和力矩。

1.2 無刷直流電動機控制器的工作原理

圖2為無刷直流電動機的控制框圖。采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6作為主處理芯片。硬件電路主要包含電源電路、驅(qū)動電路、逆變電路、電流檢測電路、霍爾傳感及光電編碼器。其中電源電路用于處理電動機供電、芯片供電及運算放大器等的供電；驅(qū)動電路用于驅(qū)動逆變電路換向；電流檢測電路用來檢測通過三相繞組的電流，間接獲得此時電動機的力矩；逆變電路根據(jù)驅(qū)動電路的指令導(dǎo)通相應(yīng)的MOS管，實現(xiàn)電動機對應(yīng)繞組通電；霍爾傳感用于檢測電動機轉(zhuǎn)子當(dāng)前所處的位置；光電編碼器用于實現(xiàn)對當(dāng)前電動機位置的反饋。

上面說到的一些原材料中，質(zhì)量控制主要是體現(xiàn)在含泥量方面，按照已有的標(biāo)準(zhǔn)慣例來看，在砂石的含泥量中不得大于3%，而碎石的含泥量也不能超過2%，假若是不小心超過了這個已有的標(biāo)準(zhǔn)，那將會對整個建筑工程的質(zhì)量帶來尤為嚴(yán)重的危害。并且除了上文說的要保證碎石、砂石等原材料的含泥量外，也需要做好對于骨料的質(zhì)量控制，骨料看重的是他的含水量，這個因素將直接影響著混凝土的強度，在選擇骨料的時候應(yīng)該選擇熱膨脹系數(shù)比較小，且含泥量相對較低的骨料。在材料的質(zhì)量控制中，要對混凝土進(jìn)行嚴(yán)格把控，這也是整個建筑材料的質(zhì)量核心，混凝土質(zhì)量與規(guī)格的達(dá)標(biāo)是對整個建筑材料的保證，更是有利于提升建筑工程整體的施工質(zhì)量和建設(shè)水平。

圖2 無刷電動機控制框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 電源硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用多電源供電，如圖3所示。24 V主要用電動機供電，13 V用于功率驅(qū)動模塊供電，5 V用于霍爾和編碼器供電，3.3 V用于單片機供電。

圖3 電源電路設(shè)計

2.2 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計

STM32最小系統(tǒng)包括工作模式選擇（如圖4）、復(fù)位電路、濾波電路和晶振電路（如圖5）。工作模式選擇為上電即從用戶程序開始執(zhí)行；復(fù)位采用上電自復(fù)位電路來實現(xiàn)。

圖4 單片機工作模式選擇

圖5 濾波和晶振電路

2.3 功率驅(qū)動模塊設(shè)計

圖6為單相繞組的功率驅(qū)動模塊設(shè)計。采用IR2103STRPBF芯片進(jìn)行驅(qū)動，依靠D4 二極管和C12的電容構(gòu)成自舉電路。當(dāng)HIN和LIN同時為高電平時，HO輸出高電平使Q1導(dǎo)通，當(dāng)HIN和LIN同時為低電平時，LO輸出高電平使Q2導(dǎo)通。通過圖6所示的3個單相功率驅(qū)動模塊電路可以實現(xiàn)對6個MOS管不同時刻的導(dǎo)通，進(jìn)而實現(xiàn)電動機旋轉(zhuǎn)。

圖6 功率驅(qū)動模塊設(shè)計

2.4 電流檢測設(shè)計

由于單片機的檢測電壓在0～3.3 V之間，對于較小的電壓或較大電壓其檢測的靈敏度較弱，因此我們將檢測電壓設(shè)計在1.6～2.2 V之間；控制器最高可以承受的工作電流為30 A，以封裝、功率滿足情況下選擇較大阻值為原則進(jìn)行設(shè)計，可得采樣電壓變化如下：

式中：Imax=30 A；Ps=3 W。

將數(shù)據(jù)代入式(8)可以得到采樣電阻為Rs≈0.003 Ω。進(jìn)而可以得到采樣電壓的變化范圍為0～90 mV。由于將電壓直接升至1.6～2.2 V較為困難，先將電壓抬高至1.65 V（如圖7），之后在此基礎(chǔ)上再將原有的采樣電壓放大5倍，可以得到最終的采樣電壓變化范圍為1.65～2.10 V。圖8為采樣電阻電壓放大電路。

圖7 采樣電阻電壓拉升電路

圖8 采樣電阻電壓放大電路

3 軟件設(shè)計

圖9為無刷電動機驅(qū)動控制的軟件控制框圖。分別于1、10、50 ms周期處對電流、速度和位置進(jìn)行檢測。在進(jìn)行電流控制時，采用位置式PID進(jìn)行運算；在進(jìn)行速度控制時采用增量式PID進(jìn)行計算；在進(jìn)行位置控制時采用位置式PID進(jìn)行計算。

圖9 無刷驅(qū)動控制軟件框圖

4 控制算法

在每一個控制周期，3種控制模式獨立運行，計算結(jié)果作為PWM的操作變量進(jìn)行輸出。

4.1 位置控制

4.2 速度控制

速度控制的操作變量Prv可以通過下式進(jìn)行表示：

4.3 電流控制

對于電流控制，分3種情況來討論：1）實際測得電流比目標(biāo)電流大，根據(jù)電動機轉(zhuǎn)動受到的阻力不同又分為3種情況。a.有阻力但不足以卡死電動機；b.阻力剛好卡死電動機；c.阻力大于電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，造成反轉(zhuǎn)。2）實際測得電流比目標(biāo)電流小，電動機轉(zhuǎn)動方向和電流控制方向相同且?guī)与妱訖C旋轉(zhuǎn)。3）實際測得電流和目標(biāo)電流相同，阻力很小。可以采用下面公式進(jìn)行描述：

5 實驗研究

基于前述的硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計，開發(fā)無刷電動機控制器，如圖10所示。利用該控制器對單個電動機的位置控制、速度控制及電流控制分別進(jìn)行實驗。

使用Processing軟件進(jìn)行了調(diào)試界面編程；整個調(diào)試界面如圖11所示，可以使用該調(diào)試界面進(jìn)行位置控制、速度控制和電流控制。

圖11 電動機調(diào)試界面

整個測試系統(tǒng)如圖12所示。在此系統(tǒng)下對電動機的控制模式進(jìn)行測試，首先是位置模式，測試結(jié)果如圖13（a）所示。電動機每轉(zhuǎn)1圈可以產(chǎn)生的pulse數(shù)為24，預(yù)設(shè)的電動機運動位置pulse數(shù)為6000，電動機運行到5 s位置時到達(dá)此位置；電動機總共運轉(zhuǎn)了250圈。電動機運行到恒定速度約為3750 r/min，通過計算得到，在5 s內(nèi)可以運動到達(dá)該位置，因此可以看出運動曲線正確。同時反復(fù)進(jìn)行運動測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其誤差均小于±0.1%。

圖12 電動機控制測試系統(tǒng)

設(shè)定電動機的控制速度為6000 r/min, 通過電動機調(diào)試界面反饋數(shù)據(jù)并將其保存，我們可以得到運行結(jié)果為圖13（b）；觀察曲線可以看出，在大約8.4 s時上升到該速度；指定速度和實際速度之間的誤差小于±1%。

設(shè)定電動機的控制電流為0.4 A，在電動機運行開始的時候，增加外力，可以看出電動機電流升至1 A左右，當(dāng)時間在1.7 s時，電動機電流又被控制拉回到原來的電流位置，保持在0.4 A左右，運行結(jié)果如圖13(c)所示。

圖13 3種控制測試曲線

6 結(jié)語

1）通過無刷電動機理論分析和控制算法設(shè)計，完成了無刷電動機控制器的硬件電路和軟件框架，通過測試可以看出，控制器可以實現(xiàn)位置控制、速度控制和電流控制，并能實時實現(xiàn)3種控制方式的任意切換；其中位置控制和速度控制誤差分別小于±0.1%和±1%，能夠很好地滿足控制要求。

2）本文中雖然實現(xiàn)了電流控制，但是電流控制的精度及控制時間需要在后續(xù)的研究中進(jìn)一步提高。