基于STM8S903K3的直流無刷電機(jī)電流控制

孟憲洋， 田晉宇， 高 棚， 王創(chuàng)創(chuàng)， 何 平， 熊興中

(1.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院， 四川 自貢 643000;2.暨南大學(xué)智能科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 珠海 519072;3.香港理工大學(xué)建筑及房地產(chǎn)學(xué)系， 香港 999077)

引 言

科技的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)促使無刷直流電機(jī)(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)的控制方式從模擬控制轉(zhuǎn)變到了數(shù)字控制，特別是電子換向器技術(shù)的不斷發(fā)展，使得電動(dòng)機(jī)的控制方式日益成熟，機(jī)械電刷和機(jī)械換向器等器件逐漸被晶體管取代[1]。直流無刷電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，不僅能夠提高了電機(jī)的工作效率，而且提升了產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)力和使用性能[2]。其中關(guān)于控制器的定制化出現(xiàn)在不同的市場(chǎng)環(huán)境中，但因其品牌、功能的不盡相同，對(duì)控制器的功能、性能要求云泥之別[3]。

因此，開展無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的高性能、高水平研究，對(duì)推動(dòng)無刷直流電機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化水平的發(fā)展有很重要的意義。

早在20世紀(jì)五十年代的時(shí)候，哈利森等人已經(jīng)嘗試?yán)镁w管換向電路代替電刷與換向器等部件，標(biāo)志著無刷直流電機(jī)的誕生[4]。1987年，SIEMENS和BOSCH兩家公司陸續(xù)推出永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器[5]。近年來，由于我國(guó)對(duì)稀土永磁材料的充分研發(fā)，也間接推動(dòng)了永磁材料電機(jī)的發(fā)展。

然而相對(duì)于國(guó)外控制技術(shù)的水平，我國(guó)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展起點(diǎn)低，時(shí)間落后，即使近幾年在核心技術(shù)的不斷突破環(huán)境下，取得了較快的發(fā)展，但一些重要的參數(shù)(例：調(diào)速寬度和位置控制精度等)和國(guó)外涉及無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仍然有一定的差距。

無刷直流電機(jī)作為新型的機(jī)電一體化設(shè)備[6]，不僅可以保持有刷直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)壓調(diào)速特性，而且在軍民領(lǐng)域機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)(EMA)中彰顯旺盛的生命力[7]。

因此，本項(xiàng)目開展了對(duì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的平臺(tái)搭建、聯(lián)機(jī)測(cè)試、驗(yàn)證算法可行性研究[8]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用的控制系統(tǒng)是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)其控制方式的不同劃分為轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和STM8下的轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的閉環(huán)控制方式相比，基于STM8的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有更高的控制精度、可靠性、實(shí)用價(jià)值。

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器后加入電流PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠更好地克服單閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩(電流)的控制問題[9]。其中轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了使實(shí)際轉(zhuǎn)速與其給定值保持在一定的誤差下，把電流調(diào)節(jié)器下輸出PWM占空比的信號(hào)作為三相換向電路的輸入信號(hào)，從而改變電樞電壓，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速控制的目的[10]。其中基于STM8的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于STM8的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由多個(gè)部分構(gòu)成，因此被劃分成許多不同的工作區(qū)域。硬件的設(shè)計(jì)開發(fā)，應(yīng)滿足整體簡(jiǎn)潔、布局合理、操作方便、功能完善等特性[11]。其中以STM8S903K3為控制芯片的直流無刷電機(jī)電流控制器，設(shè)計(jì)的硬件框圖如圖3所示。

STM8S903K3控制芯片接收輸入輸出設(shè)備(I/O)讀取由位置傳感器輸出的脈沖信號(hào)，從而確定電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，然后傳送給MOSFET驅(qū)動(dòng)器HY1808以輸出對(duì)應(yīng)的邏輯電平，從而驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)讀取的是PWM控制信號(hào)，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，能夠使電機(jī)在轉(zhuǎn)速誤差范圍內(nèi)跟隨其設(shè)定值。

STM8S903K3控制芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D)采集端口，采集、取樣電機(jī)的相電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)條件下控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的過流保護(hù)等功能[12]。

圖3 硬件電路總體框圖

2.1 控制芯片STM8S903K3的參數(shù)

為了滿足在不同的工作環(huán)境下的需求，選取STM8S903K3為控制芯片。主要在于其片內(nèi)器件高度集成化，包括16 MHz的STM8S的8位單片機(jī)、最高可達(dá)8 Kbytes閃存、1 Kbyte RAM、640 bytes EEPROM、10-bit ADC、2個(gè)定時(shí)器、UART、SPI等[13]。

為了獲得良好性能，又可以降低功率的消耗，引入了時(shí)間控制器。時(shí)間控制器靈活多變也可獨(dú)立控制各個(gè)時(shí)鐘源，能實(shí)現(xiàn)無故障切換主時(shí)鐘和CPU時(shí)鐘機(jī)制。同時(shí)采用通用寄存器控制FLASH程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)EEPROM，利用這些寄存器可以實(shí)現(xiàn)編程、寫保護(hù)、配置各種模式[14]。另外，還包括I/O的外部中斷能力、獨(dú)立看門狗模塊、串行外設(shè)接口傳輸?shù)裙δ芗軜?gòu)了高性能、低功耗的微處理器等。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過分析本系統(tǒng)的硬件總體框圖，可以將系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)方面：功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子位置傳感器設(shè)計(jì)、電流采樣與過流保護(hù)設(shè)計(jì)等。

2.2.1 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)電路采用的是三相橋式電路和開關(guān)器件場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET。每一個(gè)狀態(tài)各有不同相的上、下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通。上橋臂的功率管和采樣線相連接，并采用自舉供電的方式為上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)提供正浮地電源[15]。圖4是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的無刷直流電機(jī)接線原理圖。

圖4 兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的無刷直流電機(jī)接線原理圖

其控制過程為：直流電源加載在逆變器上，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩后轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，位置檢測(cè)裝置開始檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，同時(shí)將信號(hào)送給控制器，控制器通過對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換來控制逆變器中功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序，使得定子電樞電流不斷換向，以產(chǎn)生方向恒定的電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子上，使得轉(zhuǎn)子始終以恒定的方向旋轉(zhuǎn)。

2.2.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器設(shè)計(jì)

為了快速、精確地獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過比較選取了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的磁敏式傳感器。磁敏元件采用霍爾集成電路，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整形、放大后得到所需的位置信號(hào)(電壓信號(hào))?；魻柤呻娐方Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 霍爾集成電路

2.2.3 電流采樣和過流保護(hù)設(shè)計(jì)

負(fù)載電流在啟動(dòng)、過載和堵轉(zhuǎn)情況下會(huì)變得很大，通過電流采樣和過載保護(hù)設(shè)計(jì)，使得控制器減小PWM的輸出脈寬來解決電流過大問題。

2.4 STM32/STM8開發(fā)工具

圖6 STM8、STM32開發(fā)工具界面

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)，必須要確定經(jīng)過霍爾集成電路整形、放大后得到的位置信號(hào)下的HALL的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)HALL的狀態(tài)確定下來以后，根據(jù)上下管的導(dǎo)通條件并依照HALL換向表，即對(duì)應(yīng)打開上橋所對(duì)應(yīng)上橋臂開關(guān)管的PWM信號(hào)及開通對(duì)應(yīng)的下橋臂的開關(guān)管。一旦電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)后，HALL信號(hào)發(fā)生變化，控制器進(jìn)入捕獲輸入中斷，從而在中斷狀態(tài)中重新根據(jù)HALL狀態(tài)進(jìn)行換相，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

主程序?qū)崿F(xiàn)的基本功能：

(1) PA4，PA5指示端閃爍，指示系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。

(2) 上橋臂開關(guān)管PC1，PC2，PC3，輸出占空比20%的PWM信號(hào)，即高電平占20%。

(3) 上電根據(jù)HALL狀態(tài)換相，并在輸出PWM信號(hào)后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)HALL信號(hào)不斷改變，然后進(jìn)入捕獲中斷，進(jìn)行及時(shí)換相。如此實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)控制。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成電流環(huán)，通過電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流。以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。由上述原理設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.1 主程序模塊

主程序如圖8所示，主要包括轉(zhuǎn)速計(jì)算、電流檢測(cè)與過流保護(hù)、電池電壓檢測(cè)、換相控制、PWM信號(hào)生成等。在系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)軟件從主程序開始執(zhí)行，所以首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后程序進(jìn)入主循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行控制。在主循環(huán)里，包括命令運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速的控制等。

圖8 系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 初始化子程序模塊

初始化子程序結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要包括設(shè)置看門狗、配置控制寄存器、I/O配置、初始化變量、中斷控制等。在系統(tǒng)上電后，開始初始化，變量存儲(chǔ)默認(rèn)數(shù)據(jù)以后，會(huì)占用一定的空間。

圖9 初始化子程序結(jié)構(gòu)圖

3.3 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

電流調(diào)整就是控制PWM信號(hào)的產(chǎn)生，通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電流的平均值，再通過ADC把電流模擬量變成數(shù)字量，比較參考的電流值與計(jì)算的電流值，達(dá)到調(diào)整電流的目的。

3.4 RS232串口通信

通過MAX232串口轉(zhuǎn)接板將MCU輸出的TTL的USART信號(hào)，轉(zhuǎn)換成PC標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平，使MCU與PC機(jī)通過RS232接口進(jìn)行通信。圖10中清晰的表明串口通信的關(guān)鍵是串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)，即使按字節(jié)(byte)比并行通信慢，但是可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)接收數(shù)據(jù)。包括起始位、數(shù)據(jù)位、校檢位和停止位組成，通訊雙方以約定的通訊協(xié)議和通信速率進(jìn)行通信。編程時(shí)，首先由main()函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，串口通信標(biāo)志位檢測(cè)數(shù)據(jù)是否發(fā)送或接收成功，然后根據(jù)串口協(xié)議判斷執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，等待中斷時(shí)觸發(fā)電流采樣等。

圖10 RS-232電平的串行數(shù)據(jù)幀格式

3.5 轉(zhuǎn)速計(jì)算程序設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)的每個(gè)周期會(huì)產(chǎn)生六個(gè)變化的信號(hào)，通過測(cè)得固定時(shí)間段τ的霍爾變換次數(shù)就能得到轉(zhuǎn)速。

(1)

其中：v是轉(zhuǎn)速、N是霍爾信號(hào)變化次數(shù)、p是極對(duì)數(shù)。圖11是調(diào)速子程序結(jié)構(gòu)圖。

圖11 調(diào)速子程序結(jié)構(gòu)圖

3.6 仿真分析

本系統(tǒng)采用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。MATLAB/Simulink是常見的，且富有特色的仿真環(huán)境。它不僅可以直接利用系統(tǒng)仿真模塊，而且可以創(chuàng)建模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)和電路的仿真。

Simulink是MATLAB重要的功能之一，它提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)的、變化的系統(tǒng)圖形建模仿真和參數(shù)分析的高度智能的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，不需要大量書寫程序，只需要通過直觀、簡(jiǎn)便的動(dòng)態(tài)操作和參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，就可構(gòu)造出復(fù)雜、完備的系統(tǒng)。

依據(jù)分析直流無刷電機(jī)工作原理得到的結(jié)果搭建出BLDCM的仿真系統(tǒng)中各個(gè)部分，如換向器模塊、逆變器模塊、電源模塊等。然后將各個(gè)部分進(jìn)行組合，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。通過仿真得出運(yùn)行結(jié)果，再用仿真結(jié)果來驗(yàn)證理論分析是否正確。以位置信號(hào)為霍爾信號(hào)、無刷直流電機(jī)位置傳感器兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)控制方式為例進(jìn)行仿真，如圖12所示。仿真得到的無刷直流電機(jī)特性如圖13所示。

圖12 無刷直流電機(jī)有位置傳感器仿真系統(tǒng)

圖13 仿真結(jié)果

分析圖12和圖13可以發(fā)現(xiàn)，由于閉環(huán)反饋控制的存在，帶有負(fù)載的電機(jī)轉(zhuǎn)速最終接近且穩(wěn)定于3000 rpm。同時(shí)也可看出，電機(jī)上面電樞電流的方向切換，即功率管道通的順序是正確無誤的，確保了電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)也符合我們預(yù)定的控制基本要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無刷直流電機(jī)控制研究課題，選用的意法半導(dǎo)體公司的高性能單片機(jī)STM8S903K3為主控芯片，能夠更好地實(shí)現(xiàn)電流控制器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。在深入研究無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用了比較完備的雙閉環(huán)調(diào)速控制，同時(shí)運(yùn)行速度環(huán)和電流環(huán)進(jìn)行調(diào)速控制,以此滿足電機(jī)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

針對(duì)一種基于控制120度HALL傳感器的直流無刷電機(jī)為例，利用微控制器的中斷功能實(shí)現(xiàn)對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)基于RS232協(xié)議的通信協(xié)議對(duì)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)調(diào)控。最后通過仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。