鄒曉康，張浩然
?。ㄕ憬瓗煼洞髮W(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,，浙江 金華321004）
摘要：設(shè)計(jì)了基于STM32處理器的有位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)控制器，采用電子換相取代傳統(tǒng)有刷電機(jī)的電刷換相,，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有刷電機(jī)壽命短,、發(fā)熱嚴(yán)重問(wèn)題。直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè),，根據(jù)電機(jī)換相原理,，控制器輸出PWM波到智能逆變器IPM驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。移植網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LWIP對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理,。
關(guān)鍵詞：STM32;控制器;直流無(wú)刷電機(jī);IPM;LWIP
0引言
隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展,，傳統(tǒng)的有刷電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)方面，但由于其本身構(gòu)造存在換相電刷導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)換相抖動(dòng)大,、電機(jī)線圈發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題,，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電刷本身磨損導(dǎo)致使不能正常使用［1］。新興的直流無(wú)刷電機(jī)在電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)下,，采用電子器件換相,，從而避免了這些問(wèn)題，延長(zhǎng)了電機(jī)壽命,，提供大扭矩輸出,，提高電機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)所有電機(jī)統(tǒng)一管控,。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用廣泛的有刷電機(jī)存在電刷磨損以及電流換相噪聲大的缺陷，設(shè)計(jì)一種基于ARM的無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）控制器以電子換向取代了機(jī)械換相器,?；赟TM32的有感直流無(wú)刷電機(jī)控制器，根據(jù)電機(jī)內(nèi)嵌的三個(gè)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(yùn)行換相程序,，依據(jù)轉(zhuǎn)子位子來(lái)導(dǎo)通或關(guān)斷逆變驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)線圈的通斷電,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換相［3］,。通過(guò)STM32自帶的高速AD模塊,，采樣電機(jī)線圈中心電壓實(shí)現(xiàn)有電機(jī)線圈過(guò)流保護(hù)，采樣電池電壓實(shí)現(xiàn)電池檢測(cè),，采樣電位器電壓設(shè)定速度輸入,。通過(guò)線圈電流參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)控制,。由于采用高速集成處理器和智能驅(qū)動(dòng)模塊,，集成的內(nèi)部資源豐富，既簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜程度,，也提到了電路的穩(wěn)定性,。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于STM32的有感直流無(wú)刷電機(jī)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(yáng)的DP83848,，主要實(shí)現(xiàn)能量檢測(cè)和隔離高電壓功能，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口連接于控制器內(nèi)嵌的MAC控制器3,，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信,。霍爾輸入端子9為電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，高速運(yùn)行換相程序,，輸出PWM4驅(qū)動(dòng)逆變電路5的功率管通斷實(shí)現(xiàn)電機(jī)6換相,。設(shè)定速度12即電位器電平，實(shí)現(xiàn)外部對(duì)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的設(shè)定,，連接于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14,。電源分壓電路8對(duì)電源分壓后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換14，實(shí)現(xiàn)電源電壓的監(jiān)測(cè),。電機(jī)6中線電壓連接于放大電路7,，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)流保護(hù)。嵌入式控制器13高速運(yùn)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(shí)現(xiàn)電機(jī)換相正常運(yùn)行,、網(wǎng)絡(luò)通信的統(tǒng)一管理以及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制,。
基于STM32的有感直流無(wú)刷電機(jī)控制器最主要的硬件電路為逆變驅(qū)動(dòng)電路，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路一般采用驅(qū)動(dòng)芯片和IGBT管結(jié)合的驅(qū)動(dòng)橋電路,，而本設(shè)計(jì)采用智能驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片和功率管,，集成度高,，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性和安全性,。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,。
智能驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部集成了4個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片和6個(gè)功率管，其中3個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)上半橋功率管,，1個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)3個(gè)下半橋功率管。三相電機(jī)輸入驅(qū)動(dòng)線為U,、V,、W，UPWMH,、VPWMH,、WPWMH為U、V,、W三相上半橋功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào),；UPWML、VPWML,、WPWML為U,、V、W三相下半橋功率驅(qū)動(dòng)信號(hào),，連接于控制器,；4個(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)芯片的工作電壓，Vin+為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓,，連接于驅(qū)動(dòng)橋上的橋臂功率管上,。IC為三相電流，輸入到運(yùn)放電路中放大,，放大輸出至控制器模數(shù)采樣,。
設(shè)計(jì)中鏈路層采用主控芯片STM32F407內(nèi)部自帶的媒體訪問(wèn)控制器MAC實(shí)現(xiàn)， MAC與物理層芯片通過(guò)RMII或MII接口通信，物理層采用DP83848實(shí)現(xiàn),，該芯片有如下特點(diǎn)：快速以太網(wǎng)控制器,，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的；集成極性檢測(cè)和校正10/100Base-T端口自匹配物理層PHY,；支持暫?？刂茙ㄗ詣?dòng)發(fā)送和接收流控制,；可編程填充數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)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(hù)DP83848芯片和系統(tǒng)的安全,，在輸出端,，通過(guò)變壓器隔離方式對(duì)以太網(wǎng)模塊HR911105A進(jìn)行隔離保護(hù)，輸入,、輸出差分線通過(guò)50 nF電容進(jìn)行濾波處理,，屏蔽高頻信號(hào)的干擾，震蕩電路采用集成的50 MHz有源晶振,，保證輸出的時(shí)鐘信號(hào)飽滿,、圓滑、穩(wěn)定,。網(wǎng)絡(luò)隔離模塊如圖4所示,。
軟件設(shè)計(jì)包括換相程序、控制算法,、TCP/IP通信協(xié)議,。換相程序是電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的保障?？刂扑惴ㄖ饕獙?shí)現(xiàn)電機(jī)變速的調(diào)控,、電機(jī)的啟動(dòng)，以及當(dāng)外界設(shè)定速度與實(shí)時(shí)速度有差距時(shí)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(shí)現(xiàn)通信,，將電機(jī)線圈電流、轉(zhuǎn)速等信息通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送出去,。程序框圖如圖5所示,。
本設(shè)計(jì)采用兩兩導(dǎo)通方式，即任一時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通,，另一相繞組關(guān)閉,。換相程序根據(jù)霍爾信號(hào)反饋的轉(zhuǎn)子位子信息結(jié)合旋轉(zhuǎn)方向和電機(jī)結(jié)構(gòu),，制作出導(dǎo)通表，本設(shè)計(jì)采用上橋臂PWM波調(diào)制下橋臂恒通模式驅(qū)動(dòng)［4］,，TIM3配置成為輸入捕獲模式,，當(dāng)霍爾信號(hào)變化時(shí)，觸發(fā)定時(shí)器捕獲中斷服務(wù)程序,，調(diào)用換相算法,。
控制算法主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，通過(guò)調(diào)節(jié)定時(shí)器輸出的PWM占空比,，使實(shí)時(shí)速度達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)速度,。占空比越高，即導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng),，電機(jī)加速越快,。本設(shè)計(jì)的控制算法采用電流－速度雙閉環(huán)PID控制［5］，驅(qū)動(dòng)PWM載頻為20 kHz,，占空比在20%~80%可調(diào),。速度通過(guò)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(cè)是檢測(cè)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(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)控制板的網(wǎng)絡(luò)通信,，調(diào)用tcp_receive()函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收,，調(diào)用tcp_write()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí),、穩(wěn)定,、高效、可靠地傳輸,。
4系統(tǒng)測(cè)試
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為24 V,，控制器系統(tǒng)板供電15 V。驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)通時(shí)占空比在一定范圍內(nèi)可調(diào),。
為了測(cè)試控制器性能以及算法的優(yōu)越性,，從帶負(fù)載情況、相電流,、電機(jī)轉(zhuǎn)速,、設(shè)定目標(biāo)速度實(shí)現(xiàn)時(shí)間等方面來(lái)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。
5結(jié)論
通過(guò)對(duì)該控制器進(jìn)行整體測(cè)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(jí)定時(shí)器來(lái)控制電機(jī)，采用內(nèi)部普通定時(shí)器來(lái)捕獲霍爾傳感器觸發(fā)換相程序,，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制,。輸入驅(qū)動(dòng)PWM在20%~80%范圍內(nèi)可調(diào)，設(shè)定速度通過(guò)外接電位器輸入后,，電機(jī)能夠較好地完成速度變化調(diào)控,，并且可以通過(guò)輕量型以太網(wǎng)協(xié)議LWIP將電機(jī)設(shè)定速度、轉(zhuǎn)速,、相電流等情況上傳至上位機(jī),。
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