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)重問題,。直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息通過霍爾傳感器檢測(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)場電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞：STM32;控制器;直流無刷電機(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)重的問題，長時(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，從而避免了這些問題,，延長了電機(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的無位置傳感器的直流無刷電機(jī)（BLDC）控制器以電子換向取代了機(jī)械換相器,。基于STM32的有感直流無刷電機(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采用金升陽的DP83848,，主要實(shí)現(xiàn)能量檢測(cè)和隔離高電壓功能,，通過標(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,?；魻栞斎攵俗?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,。控制器捕獲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?！ ?/p>
基于STM32的有感直流無刷電機(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)部自帶的媒體訪問控制器MAC實(shí)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(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?，包括自動(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,，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)間等方面來測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果如表1所示,。
5結(jié)論
通過對(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)器來控制電機(jī),，采用內(nèi)部普通定時(shí)器來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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