STM8S 的高速無刷直流電機(jī)恒速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒存名，韓秀梅

STM8S 的高速無刷直流電機(jī)恒速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒存名，韓秀梅

（大連科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，大連116052）

為解決高速無刷直流電機(jī)恒速控制投入高、穩(wěn)定性差、無法實(shí)現(xiàn)低功耗高速無刷直流電機(jī)恒速控制等問題，提出一種基于STM8S003微控制器的高速無刷直流電機(jī)恒速控制系統(tǒng)的解決方案。通過分析無刷直流電機(jī)控制時(shí)序，應(yīng)用PID算法程序，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)5萬轉(zhuǎn)恒速控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該方案的設(shè)計(jì)在高速電機(jī)控制方面，成本低、電機(jī)起速平穩(wěn)、控速性能良好。

無刷直流電機(jī)；STM8S；PID；恒速控制

引 言

目前，微型高速無刷直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能等特點(diǎn)，在打磨、切割等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。微型高速無刷直流電機(jī)控制對(duì)時(shí)序要求較高，一般控制模塊主要采用無刷直流電機(jī)專用時(shí)序控制芯片實(shí)現(xiàn)控制［1］，然而這種控制模塊造價(jià)相對(duì)較高，PCB制板面積較大，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)高速控制方面板耗較大，效率低［2］。因此，本設(shè)計(jì)采用STM8S003微控制器，充分利用該微控器的資源，通過直接對(duì)上下橋臂MOS管導(dǎo)通控制，實(shí)現(xiàn)高速無刷直流電機(jī)5萬轉(zhuǎn)恒速控制。

1　硬件設(shè)計(jì)

1.1無刷直流電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)內(nèi)部由永磁轉(zhuǎn)子和三相定子組成，通過反向極性的吸引產(chǎn)生相矩力，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相角度近似為正交，從而獲得最大力矩。一般控制無刷電機(jī)啟動(dòng)需要判斷轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，然后根據(jù)當(dāng)前位置改變MOS管驅(qū)動(dòng)電路上下橋臂的通電順序，使其在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用120°帶霍爾傳感器無刷直流電機(jī)，通過霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子線圈的位置信息［3］。根據(jù)無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)的電路如圖1所示。

本文采用6個(gè)MOS管來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制，Q1、Q5、Q9為驅(qū)動(dòng)上橋臂，Q3、Q7、Q11為驅(qū)動(dòng)下橋臂，Q2、Q6、Q10為開關(guān)控制三極管，通過Q2、Q6、Q10提供上橋臂導(dǎo)通電流。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定，并具有過流保護(hù)功能。

1.2電源電路

本設(shè)計(jì)需要提供12 V、5 V低紋波電源，因此采用78M12和78L05線性低壓差電源，分別提供12 V和5 V電源。其中12 V給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電，5 V用于給STM8S003供電，電源電路如圖2所示。

1.3位置檢測(cè)電路

本控制系統(tǒng)采用霍爾傳感器來檢測(cè)BLCD轉(zhuǎn)子的位置，該方案硬件電路簡(jiǎn)單、精確度高、響應(yīng)速度快。位置信號(hào)由3個(gè)霍爾傳感器反饋信號(hào)分析得到，分別是HA、HB、HC，每個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)，而HA、HB、HC的輸出信號(hào)互差120°相位差。它們?cè)诿總€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生6個(gè)上升沿或者下降沿，對(duì)應(yīng)著6個(gè)位置和換相時(shí)刻［4］。把STM8S003微控器的I/O口設(shè)置為雙邊沿外部中斷捕獲功能，即可獲得這6個(gè)換相時(shí)刻。再根據(jù)3個(gè)霍爾傳感器的電平狀態(tài)，即可獲得轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確的位置信息。通過R1、R2、R3為霍爾速度采集的上拉電阻，C13、C3、C4為濾波電容，用于采集速度信號(hào)準(zhǔn)確性，這也主要是處理位置采集信號(hào)毛刺問題［5］。位置檢測(cè)電路，如圖3所示。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1軟件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)主要包括初始化、位置檢測(cè)、換相及速度調(diào)節(jié)、PID控制算法等組成，如圖4所示。

初始化主要是設(shè)置STM8S003的系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O端口、定時(shí)器，以及中斷控制。通過無刷直流電機(jī)3個(gè)霍爾傳感器邏輯圖采集位置信息，如圖5所示，再利用位置信息輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電機(jī)順利換向，特別是在設(shè)計(jì)高速電機(jī)時(shí)，必須嚴(yán)格按照時(shí)序圖來進(jìn)行換向驅(qū)動(dòng)，否則將大大提高驅(qū)動(dòng)板功耗，即使PWM輸出占空比最大也很難達(dá)到5萬轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

圖1　驅(qū)動(dòng)電路圖

圖2　電源電路

圖3　位置檢測(cè)電路

2.2PlD算法模塊

本設(shè)計(jì)采用PID控制算法，這是一般常用的恒速控制算法，但是由于STM8S003F3P6微控器內(nèi)部資源有限，因此在設(shè)計(jì)PID算法模塊時(shí)，程序必須精簡(jiǎn)，優(yōu)化程度高，運(yùn)行可靠，從而保持電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不隨負(fù)載變化而變化。程序如下：float PP=P，II=I，DD=D；

//PID參數(shù)值，修改這三個(gè)值調(diào)

節(jié)電機(jī)的升降速度和誤差調(diào)節(jié)

double Sum Error=0，Prev Error

=0，LastError=0；

long d Error=0，Error=0；

void PID_init（void）｛

Error=0；SumError=0；

LastError=0；

｝

void PIDcompute（unsigned int

Target，unsigned int Real）｛

float j=0.0，i；

Error=（Target-（long）Real）；SumError+=Error；

d Error=Error-（long）LastError；

LastError=Error；

i=PP；

j=Error*i；

i=II；

j=j+Sum Error*i；i=DD；

j=j+d Error*i；

j=j/100；

if（j＞=h ArrPwm Val）OutPwm Value=h Arr Pwm Val；

else if（j＜25）OutPwm Value=25；

else OutPwm Value=（unsigned int）j；

｝

圖4　系統(tǒng)程序流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)的位置傳感器測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。通過測(cè)量單路位置傳感器反饋脈沖信號(hào)HA周期為1.25 ms，電機(jī)轉(zhuǎn)速為5萬轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)證明PID算法運(yùn)行正常，該設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，無雜音。

Constant-velocity Control System of High-speed Brushless DC Motor Based on STM8S

Zou Cunming，Han Xiumei
（Institute of Electrical Engineering，Dalian Institute of Science and Technology，Dalian 116052，China）

In order to solve the problems of large expense，the poor stability，the unachievable of low-power constant-velocity control for high-speed brushless DC motor，a constant-velocity control system based on the microcontroller STM8S003 is proposed.Through analyzing the control time sequence of the DC motor and applying PID algorithm program，it can realize constant-velocity（50 000 r/min）control for the brushless DC motor.The actual application shows that this solution can reduce the expense and start the motor smoothly and the performance of speed control is well.

brushless DC motor；STM8S；PID；constant-velocity control

圖5　霍爾位置檢測(cè)傳感器時(shí)序圖

圖6　位置傳感器

TP23

A