直流无刷电机的控制系统设计方案

直流无刷电机的控制系统设计方案1 引言1.1 题目综述直流无刷电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，它不仅保留了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造成本高和维修困难等等的缺点。

与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。

基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。

比如电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的传真机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。

1.2 国内外研究状况目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。

外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相对比较先进。

当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的基础。

近些年来，计算机和控制技术快速发展。

单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些发展都为直流电机的发展奠定了坚实的基础。

经过这么多年的发展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。

所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。

1.3 课题设计的主要内容本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。

选定合适的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。

本课题涉及的技术概括如下：（1）学习直流无刷电机的基本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要内容。

（2）直流无刷电机的转子位置检测技术，我选用最常用的反电势检测技术，本文分析了反电势法的原理，并设计了反电势的硬件实电路，进行了焊接与调试。

（3）由于无刷直流电机在静止或者转速很低的时候，其产生的反电势为零或者很小很不容易检测到，因此直流无刷电机的启动是一个难点。

（4）分析了速度换的单闭环控制策略，并用matlab guide设计了上位机界面来实现PID参数的实时整定。

（5）在确定无刷直流电机控制系统的硬件总体方案时，经过对比选择STM32芯片，选智能功率模块FSBB30CH60C为驱动芯片，并设计了无刷直流电机控制驱动电路、反电势转子位置检测电路及电流电压采样电路等。

（6）最后对整套控制系统进行了实验调试，包括软、硬件的调试，并对调试结果进行了分析。

2 系统设计目标和设计方案2.1系统设计目标直流无刷电机因为调试性能好、低噪声、体积小、控制灵活、高效率、散热性能好、寿命长等一系列的优点，本课题设计目标如下：（1）能够驱动直流无刷电机的运转并有电路保护以免器件烧坏。

（2）能够实时准确的检测到直流无刷电机转子的位置。

（3）能够实现对电机启动和停止的控制。

（4）能够通过滑动变阻器来实现直流无刷电机的无极调速。

（5）电路具有电流、电压保护，以免对电路产生不良影响。

2.2控制系统结构总体框图的设计直流无刷无感电机的控制系统能够实现的主要功能：能够准确实时的检测到无刷直流电机转子的位置、能够用三段式技术使电机能够很好的启动、PID调节技术、速度环的控制、电压保护、电流保护等主要关键的控制技术。

电机调速原理框图如下图1所示。

图1 电机调速原理框图2.3硬件系统方案论证为了能够实现无刷直流电机的可靠运转、无极调速等一系列的优点，需要选择合适的元器件来满足本课题设计的需求。

2.3.1 控制器芯片选型对直流无刷电机控制所用微处理器的选型要重点考虑以下几个方面：（1）微处理器的运行频率和运算速度得满足控制系统要求（2）微处理器片内资源是否足够，主要是I/O口的数量和电平兼容性、A/D路数及位数。

（3）微处理器的体积、工作温度等是否满足系统要求。

（4）微处理器的可靠性、生产厂商、数量和价格、上市时间等因素也需要考虑，这关系到产品的后续更新换代，以及采用该处理器开发的难易程度。

基于ARM Corte-M3内核32位单片机STM32，时钟频率最大可达72MHZ，在数字处理上经过了优化，所以本设计选用STM32F103ZET6单片机。

2.3.2 无刷直流电机的选型在选用直流无刷电机的时候，必须根据它的参数来判断其驱动电路，无刷电机的参数如表1所示：表1 无刷直流电机的参数外转无刷电机KV 最大效率电流无负载流/10v最大电流最大效率y轴径（mm）重量电阻尺寸（mm）A2212/13 KV1000 4~10A 0.5A 12A/60s 80% 3.17 47g 90mΩ27.5*30 新西达无刷电机/2212KV1000 如图2。

图2 直流无刷电机2.3.3驱动电路的选型智能功率模块选择的是FSBB30CH60C，它把驱动电路和开关电路集成在了一起，内部有欠压、过压、过流故障检测电路，CPU可以进行实时的检测。

还包括三个HVIC、一个LVIC(门极驱动低压集成电路)、六个先进技术的IGBT、六个FRD。

智能功率模块的元器件图如图3所示。

图3 智能功率模块2.3.4位置检测器件选型反电势过零点检测原理是模拟中性点和端电压的值相等得到，由STM32端口和连接霍尔传感器接口的关系，需用三路比较电路，LM339N由四路比较电路组成，可选用LM339N 比较电路实现。

LM339N内部框图如图4所示：图4 比较器LM339N3控制系统的工作原理和硬件设计3.1直流无刷电机的工作原理本设计选用的电机类型为三相星型连接。

控制器产生六路PWM波控制驱动电路，位置检测用的反电势过零点技术。

工作原理如图5所示。

图5 直流电机工作原理图在图5中，当转子顺时针转到（a）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机输出信号让T1、T6 导通。

这时电流从电源正极流出，经T1流往A相绕组，再由B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子顺时针转动。

当转子转过60电角度，即到（b）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机让T1、T2导通，这时电流从电源的正极流出，经T1流往A相绕组，再由C相绕组流出，经T2回到电源负极。

此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。

同样按照这个方式，电机可以顺利的转动起来。

电机有六种磁状态，每种状态导通120度，每次由两相导通，无刷电机就是两相导通星型三相六状态的工作方式[3]。

3.2无刷电机的反电势法位置检测原理观察转子位置和反电势之间的关系如图6所示，转子状态由a)变为b)过程中反电势波形和转子位置之间的关系，反电势波形为B相绕组的反电势，当转子由a）初始状态转过30°电角度时，转子的磁场方向正好和B相绕组轴线重合，不切割B相绕组导线，此时B相绕组的反电势正好为零。

由图可知，由b)到c)要进行换相动作，因此可利用反电势过零点确定转子的位置，进而控制电机的换相，这就是直流无刷无感电机反电势检测及控制换相的原理[4]。

图6 电机反电势位置检测图3.3电源模块由于STM32F103所需供电电压是3.3V，图7是把5V转换成3.3V电压的电路。

图7 STM32103的供电电源3.4 MCU控制模块MCU主控电路是整个无刷直流电机控制系统的控制中心，负责控制逆变器六个桥臂的通断、采集电压、采集电流、检测直流无刷无感电机的位置（电机的反电势检测）、PID的运算、无刷直流电机启动的控制、JTAG调试下载等。

STM32最小系统由STM32F103芯片、复位电路、晶振电路和JTAG接口电路组成（1）STM32F103芯片电路如图8所示：图8 STM32芯片（2）复位电路和晶振电路STM32有两个外部晶振电路和两个内部晶振电路。

两个内部晶振电路需要程序配置编程即可，但外部的晶振电路需要晶振电路元器件搭建而成。

如图所示的32.768K 和8M的晶振电路。

晶振和复位电路如图9所示。

图9 晶振和复位电路（3）JTAG接口电路JTAG接口电路实现了程序下载及程序的在线调试仿真，使用它可以方便调试程序，缩短了开发周期。

由于STM32F103ZET6的JTAG输入引脚内部嵌入了上拉或下拉电阻，因而可以直接连接电路到芯片相应引脚。

JTAG接口电路如图10所示。

图10 JTAG 接口电路（4）USB接口电路这里的USB单纯的是供电用的。

如图11所示：图11 USB接口电路3.5 IPM功率模块（1）MUC-IPM驱动信号接口电路FSBB30CH60C内置HVIC，无需光耦就可以用MCU驱动IPM的六个桥臂。

STM32的高级定时器TIM1功能强大，利用COM事件控制产生6路H_PWM_L_PWM的换相。

这6个控制桥臂引脚要和STM32的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE15相连。

驱动信号接口电路如图12所示。

图12 MUC-IPM驱动信号接口电路（2）短路电流保护电路IPM具有内置短路电流保护的功能，要在芯片引脚Csc上外加一个分流电阻。

IPM 检测Csc管脚的电压，当电压超过模块指定的Vsc（0.5V）时，IPM产生一个故障信号IPM通过电阻R16来检测N恻电流环节的线路电流，这里设定瞬时电流保护值为30A，检测电阻R16选取阻值为10mΩ，功率为10W的无感电阻。

R32、C40构成滤波电路。

另外检测电阻R16需要并联一个小电容，作用是消除上电瞬时大电流导致的电流保护误动作。

（3）故障输出报警电路C38为0.22uf的高频无感电容，作用是防止浪涌电流破坏，Vof是IPM故障输出报警引脚。

TIM1_BKIN引脚是刹车功能引脚，和此处的Vfo引脚相连，在IPM出现故障时通过此脚输出低电平到STM32,配合TIM1刹车功能可以实现系统保护功能。

所加的电容C18是用来消除噪声干扰，确保出现故障时及时报警。

故障输出信号脉宽是有引脚Cfod的外接电容C24决定的，具体计算公式是t=C24/()，这里通常选取C24为33nF,此时t=1.8ms。

3.6反电势位置检测模块反电势位置检测电路如图13所示。

这里选用响应时间为1.3us的LM339芯片。

定子三相绕组端电压A、B、C经滤波和分压电路，送到比较器LM339N的输入端，与参考电压比较，获得各相反电势的过零点。

反电势过零点延时30°电角度后的信号用于电机的换相，进而去控制电机的转动。