基于STM32的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計

摘 要：利用主控制器STM32所具有的優(yōu)勢，設(shè)計無位置傳感器無刷直流電機(jī)為控制對象的驅(qū)動器，包括功率驅(qū)動電路、三相逆變電路、反電動勢檢測電路和電流與電壓監(jiān)測電路。該驅(qū)動器設(shè)計成本較低，具有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：STM32；無位置傳感器；無刷直流電機(jī)

1 概述

與8位單片機(jī)有限指令和性能相比，32位STM32處理器的工作頻率達(dá)到72MHZ，處理能力達(dá)到1.25DMIPS，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算能力；與32位DSP高成本和高功效相比，32位STM32處理器具有出眾的功耗控制和明顯價格優(yōu)勢，同時其內(nèi)部高度集成，具有創(chuàng)新而豐富的外設(shè)，更加利于控制系統(tǒng)的開發(fā)。同時STM32中的STM32F103增強(qiáng)型系列具有專門為實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的高級定時器，以及轉(zhuǎn)換速度為1MHZ、精度為12位的ADC[1]。

無刷直流電機(jī)既具有直流電機(jī)調(diào)速性能良好、運(yùn)行效率較高等的特征，又具有交流電機(jī)構(gòu)造簡單、故障率低等的特點(diǎn)，具備兩者優(yōu)勢，具有廣闊應(yīng)用前景。無刷直流電機(jī)分為有位置傳感器和無位置傳感器兩種，兩者相比，后者具有許多優(yōu)勢：縮小了無刷電機(jī)的體積和成本；增強(qiáng)了抗干擾能力，擴(kuò)大在高溫、高腐蝕性等特殊場合的使用范圍；提高了系統(tǒng)可靠性，降低電機(jī)的維護(hù)工作量[2]。本設(shè)計以無位置傳感器無刷直流電機(jī)為控制對象。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

利用STM32較強(qiáng)控制性能及豐富外設(shè)，使硬件設(shè)計較為簡單，所占空間較小，進(jìn)一步降低成本，圖1所示為驅(qū)動器硬件框圖，以STM32為控制核心，包括電源電路、功率驅(qū)動電路、三相逆變電路、反電動勢檢測電路、電流監(jiān)測電路、電壓監(jiān)測電路和串口通信電路。

在設(shè)計中選用STM32F103型號，其I/O口分配為：PA8端口 （TIM1_CH1）、PA9（TIM1_CH2）端口和PA10（TIM1_CH3）端口分別與功率驅(qū)動電路的高邊控制端HIN相連，PD9、PD10和PD11端口分別與低邊控制端LIN相連；PA1（ADC1_IN1）、PA2（ADC1_IN2）和PA3（ADC1_IN3）端口與反電動勢檢測電路相連；PC0（ADC1_IN10）端口與電流監(jiān)測電路相連；PC1（ADC1_IN11）端口與電壓監(jiān)測電路相連；PD5、PD6端口與通信電路相連；PC6、PC7端口分別與兩個LED燈相連，作為警報信息；預(yù)留的IO管腳可用于后期的擴(kuò)展開發(fā)。

2.2 電源電路設(shè)計

在設(shè)計實(shí)驗(yàn)中以12V的無刷直流電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，功率驅(qū)動芯片使用的電壓也為12V，12V直接由外部電源供給；而STM32和通信電路使用的電壓為3.3V，所以需要把12V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，使用集成穩(wěn)壓器AMS1117實(shí)現(xiàn)該電壓轉(zhuǎn)換。

2.3 三相逆變電路及功率驅(qū)動電路設(shè)計

圖2為三相逆變電路及功率驅(qū)動電路圖，此處只列舉其中一相，其余兩相設(shè)計相同，三相逆變電路是由6個MOSFET管IRF3205組成的橋式電路，每一相由上下橋臂控制。當(dāng)無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，相應(yīng)的MOSFET管需要導(dǎo)通，IRF3205的導(dǎo)通電阻RDS為毫歐級值，可近似忽略壓降VDS，所以源極S電位就近似等于12V的電源正電位，要使IRF3205管保持正常工作，其柵極G的電位必須大于12伏，即柵極G電位VG=VGS+12（VGS為門極電壓，最大值為20V），而STM32的IO口最大輸出電壓值為3.3V，故無法直接驅(qū)動IRF3205，因此采用三個IR2101S集成芯片構(gòu)成功率驅(qū)動電路，每個芯片分別驅(qū)動每相上下橋臂IRF3205管的通斷，使用IR2101S設(shè)計功率驅(qū)動電路時，主要是在芯片的外圍添加自舉電容和快速恢復(fù)二極管，電阻起限流的作用。

2.4 反電動勢檢測電路設(shè)計

圖3所示為反電動勢檢測電路，是由六個精密電阻組成的分壓電路，把三相端電壓進(jìn)行降壓以符合STM32的AD轉(zhuǎn)換電壓范圍，電機(jī)驅(qū)動電壓為12V，STM32的AD采樣最大值為3.3V，設(shè)計采取的分壓比為1/6，其中電阻R10=R11=R12=5K，R13=R14=R15=1K。

2.5 電流與電壓監(jiān)測電路設(shè)計

無刷直流電機(jī)在起動或發(fā)生堵轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生較大電流，故要對電流實(shí)時監(jiān)測，圖4所示為電流監(jiān)測電路，圖中的COM端連接到三相逆變電路中的三個低邊MOSFET管公共端，當(dāng)較大電流經(jīng)過電阻R35時就會在其兩端產(chǎn)生電壓，通過監(jiān)測電壓從而達(dá)到監(jiān)測電流的目的，電阻R36和電容C26起濾波作用；電壓監(jiān)測電路也是由電阻和電容構(gòu)成的分壓電路，用于實(shí)時監(jiān)測供電電壓。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主控制程序流程圖如圖5所示，先進(jìn)行初始化程序，STM32控制器接收到來自串口發(fā)送的啟動指令后進(jìn)入啟動程序，采用“三段式”啟動法[3]，完成之后電機(jī)進(jìn)入正常的閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：將端電壓輸入STM32的AD轉(zhuǎn)換器，采用反電動勢過零點(diǎn)的檢測方法，經(jīng)軟件程序運(yùn)算得到換相點(diǎn)，按照預(yù)定的換相方向使電機(jī)有序運(yùn)轉(zhuǎn)。改變PWM占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，使用STM32的AD規(guī)則通道組形式對電壓、電流和溫度進(jìn)行連續(xù)循環(huán)采樣，執(zhí)行實(shí)時監(jiān)控，如發(fā)生異常時相應(yīng)的LED燈發(fā)出指示信號并將電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，保證系統(tǒng)的安全性。

4 結(jié)束語

文章利用STM32的控制性能和豐富外設(shè)，采用模塊化方法，設(shè)計了無刷直流電機(jī)驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器的無刷直流電機(jī)控制。該驅(qū)動器具有較高的性價比，有一定的使用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]STMicroelectronics Inc.STM32F10XXX參考手冊[EB/OL].2010.

[2]夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]曾光華，等.基于STM32的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，1.

[4]吳大勇，賈敏智.STM32在三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微電機(jī)，2014，3.