鄒曉康,，張浩然
（浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院,，浙江 金華321004）
摘要：設計了基于STM32處理器的有位置傳感器的直流無刷電機控制器,，采用電子換相取代傳統(tǒng)有刷電機的電刷換相，彌補了傳統(tǒng)有刷電機壽命短,、發(fā)熱嚴重問題,。直流電機轉(zhuǎn)子位置信息通過霍爾傳感器檢測，根據(jù)電機換相原理,，控制器輸出PWM波到智能逆變器IPM驅(qū)動電機運行,。移植網(wǎng)絡協(xié)議LWIP對工業(yè)現(xiàn)場電機進行統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞：STM32;控制器;直流無刷電機;IPM;LWIP
0引言
隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)展,，傳統(tǒng)的有刷電機廣泛應用于工業(yè)控制的各個方面,，但由于其本身構(gòu)造存在換相電刷導致運行時換相抖動大、電機線圈發(fā)熱嚴重的問題,，長時間運行電刷本身磨損導致使不能正常使用［1］,。新興的直流無刷電機在電機控制器驅(qū)動下,，采用電子器件換相，從而避免了這些問題,，延長了電機壽命,，提供大扭矩輸出，提高電機運行穩(wěn)定性和可靠性［2］,，并且在控制器上嵌入以太網(wǎng)口，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場所有電機統(tǒng)一管控,。
1系統(tǒng)設計原理
根據(jù)市場應用廣泛的有刷電機存在電刷磨損以及電流換相噪聲大的缺陷,，設計一種基于ARM的無位置傳感器的直流無刷電機（BLDC）控制器以電子換向取代了機械換相器?；赟TM32的有感直流無刷電機控制器,，根據(jù)電機內(nèi)嵌的三個霍爾傳感器的輸出電平判斷轉(zhuǎn)子位子信息，STM32處理器高速運行換相程序,，依據(jù)轉(zhuǎn)子位子來導通或關(guān)斷逆變驅(qū)動模塊,，實現(xiàn)電機線圈的通斷電，進而實現(xiàn)換相［3］,。通過STM32自帶的高速AD模塊,，采樣電機線圈中心電壓實現(xiàn)有電機線圈過流保護，采樣電池電壓實現(xiàn)電池檢測,，采樣電位器電壓設定速度輸入,。通過線圈電流參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參數(shù)，實現(xiàn)電機的雙閉環(huán)控制,。由于采用高速集成處理器和智能驅(qū)動模塊,，集成的內(nèi)部資源豐富，既簡化了電路的復雜程度,，也提到了電路的穩(wěn)定性,。
2系統(tǒng)硬件設計
基于STM32的有感直流無刷電機控制器的原理圖如圖1所示。其中控制器采用STM32F407,，收發(fā)隔離模塊1采用金升陽的DP83848,，主要實現(xiàn)能量檢測和隔離高電壓功能，通過標準以太網(wǎng)接口連接于控制器內(nèi)嵌的MAC控制器3,，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信,。霍爾輸入端子9為電機霍爾傳感器輸入接口,，連接于電壓匹配電路10,，使霍爾輸入電平匹配控制器電平，電平匹配后輸入到控制器輸入捕獲端口,?？刂破鞑东@霍爾傳感器的位置信息并且得到電機轉(zhuǎn)速,，高速運行換相程序，輸出PWM4驅(qū)動逆變電路5的功率管通斷實現(xiàn)電機6換相,。設定速度12即電位器電平,，實現(xiàn)外部對目標轉(zhuǎn)速的設定，連接于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14,。電源分壓電路8對電源分壓后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換14,，實現(xiàn)電源電壓的監(jiān)測。電機6中線電壓連接于放大電路7,，實現(xiàn)對電機的過流保護,。嵌入式控制器13高速運行換相程序、以太網(wǎng)協(xié)議,、速度電流雙閉環(huán)PID控制程序,，分別實現(xiàn)電機換相正常運行、網(wǎng)絡通信的統(tǒng)一管理以及電機轉(zhuǎn)速控制,?！ ?/p>
基于STM32的有感直流無刷電機控制器最主要的硬件電路為逆變驅(qū)動電路，傳統(tǒng)的驅(qū)動電路一般采用驅(qū)動芯片和IGBT管結(jié)合的驅(qū)動橋電路,，而本設計采用智能驅(qū)動模塊FSBB30CH60F,，可耐600 V高壓和30 A大電流，內(nèi)部集成智能驅(qū)動芯片和功率管,，集成度高,，大大簡化了驅(qū)動電路的復雜性，提高了驅(qū)動電路的可靠性和安全性,。驅(qū)動電路如圖2所示,。
智能驅(qū)動模塊內(nèi)部集成了4個驅(qū)動芯片和6個功率管，其中3個驅(qū)動芯片分別驅(qū)動3個上半橋功率管,，1個驅(qū)動芯片驅(qū)動3個下半橋功率管,。三相電機輸入驅(qū)動線為U、V,、W,，UPWMH、VPWMH,、WPWMH為U,、V、W三相上半橋功率管驅(qū)動信號,；UPWML,、VPWML、WPWML為U、V,、W三相下半橋功率驅(qū)動信號,，連接于控制器；4個驅(qū)動芯片采用外部接15 V電壓自舉即電路圖中的VBU,、VBV,、VBW，VSU,、VSV,、VSW為自舉電壓的地，Vcc_15 V是各個驅(qū)動芯片的工作電壓,，Vin+為電機的驅(qū)動電壓,，連接于驅(qū)動橋上的橋臂功率管上。IC為三相電流,，輸入到運放電路中放大，放大輸出至控制器模數(shù)采樣,。
設計中鏈路層采用主控芯片STM32F407內(nèi)部自帶的媒體訪問控制器MAC實現(xiàn),， MAC與物理層芯片通過RMII或MII接口通信，物理層采用DP83848實現(xiàn),，該芯片有如下特點：快速以太網(wǎng)控制器,，符合IEEE 802.3標準的；集成極性檢測和校正10/100Base-T端口自匹配物理層PHY,；支持暫?？刂茙ㄗ詣影l(fā)送和接收流控制,；可編程填充數(shù)據(jù)和CRC校驗生成,；支持半雙工和全雙工數(shù)據(jù)收發(fā)的工作模式；內(nèi)部集成高性能的DMA,，24 KB的數(shù)據(jù)包緩沖SRAM用于發(fā)送和接收,。DP83848接口如圖3所示。
為了有效地保護DP83848芯片和系統(tǒng)的安全,，在輸出端,，通過變壓器隔離方式對以太網(wǎng)模塊HR911105A進行隔離保護，輸入,、輸出差分線通過50 nF電容進行濾波處理,，屏蔽高頻信號的干擾，震蕩電路采用集成的50 MHz有源晶振,，保證輸出的時鐘信號飽滿,、圓滑、穩(wěn)定。網(wǎng)絡隔離模塊如圖4所示,。
軟件設計包括換相程序,、控制算法、TCP/IP通信協(xié)議,。換相程序是電機正常運轉(zhuǎn)的保障,。控制算法主要實現(xiàn)電機變速的調(diào)控,、電機的啟動,，以及當外界設定速度與實時速度有差距時調(diào)節(jié)PWM輸出占空比。TCP/IP協(xié)議主要圖5程序框圖是實現(xiàn)通信,，將電機線圈電流,、轉(zhuǎn)速等信息通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。程序框圖如圖5所示,。
本設計采用兩兩導通方式,，即任一時刻只有兩相繞組導通，另一相繞組關(guān)閉,。換相程序根據(jù)霍爾信號反饋的轉(zhuǎn)子位子信息結(jié)合旋轉(zhuǎn)方向和電機結(jié)構(gòu),，制作出導通表，本設計采用上橋臂PWM波調(diào)制下橋臂恒通模式驅(qū)動［4］,，TIM3配置成為輸入捕獲模式,，當霍爾信號變化時，觸發(fā)定時器捕獲中斷服務程序,，調(diào)用換相算法,。
控制算法主要是實現(xiàn)電機調(diào)速，通過調(diào)節(jié)定時器輸出的PWM占空比,，使實時速度達到預設的目標速度,。占空比越高，即導通時間越長,，電機加速越快,。本設計的控制算法采用電流－速度雙閉環(huán)PID控制［5］，驅(qū)動PWM載頻為20 kHz,，占空比在20%~80%可調(diào),。速度通過捕獲霍爾傳感器變化得到，把速度環(huán)PID控制的輸出作為電流環(huán)的輸入,，電流檢測是檢測線圈中心電流,，速度環(huán)的輸出和中心電流作為電流環(huán)PID控制的輸入，最后決定PWM占空比控制電機運行,。速度電流雙閉環(huán)控制原理圖如圖6所示,。
移植LWIP協(xié)議棧實現(xiàn)控制板的網(wǎng)絡通信,，調(diào)用tcp_receive()函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，調(diào)用tcp_write()函數(shù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送,，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時,、穩(wěn)定、高效,、可靠地傳輸,。
4系統(tǒng)測試
電機驅(qū)動電壓為24 V，控制器系統(tǒng)板供電15 V,。驅(qū)動調(diào)制采用上橋臂調(diào)制下橋臂恒通方式,，根據(jù)轉(zhuǎn)子位子信息以及換相程序輸出PWM波至逆變器上橋臂。根據(jù)換相程序間斷性導通或關(guān)閉,，導通時占空比在一定范圍內(nèi)可調(diào),。
為了測試控制器性能以及算法的優(yōu)越性，從帶負載情況,、相電流,、電機轉(zhuǎn)速、設定目標速度實現(xiàn)時間等方面來測試,。測試結(jié)果如表1所示,。
5結(jié)論
通過對該控制器進行整體測試可知，該系統(tǒng)集成度高,，穩(wěn)定性好，體積小巧,，控制芯片STM32F407內(nèi)部集成豐富的片上資源,，使得系統(tǒng)可以采用內(nèi)部專用的高級定時器來控制電機，采用內(nèi)部普通定時器來捕獲霍爾傳感器觸發(fā)換相程序,，從而達到對電機的實時精準控制,。輸入驅(qū)動PWM在20%~80%范圍內(nèi)可調(diào)，設定速度通過外接電位器輸入后,，電機能夠較好地完成速度變化調(diào)控,，并且可以通過輕量型以太網(wǎng)協(xié)議LWIP將電機設定速度、轉(zhuǎn)速,、相電流等情況上傳至上位機,。
參考文獻
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