基于STM32的直流無刷電機(jī)正弦波控制系統(tǒng)

鄭 宏，張佳偉，徐文成

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

基于STM32的直流無刷電機(jī)正弦波控制系統(tǒng)

鄭 宏*，張佳偉，徐文成

（江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

將SVPWM正弦波控制技術(shù)應(yīng)用于BLDCM的驅(qū)動控制，利用STM32芯片豐富的片上資源搭建控制系統(tǒng)，提出了逆變電路中上下橋臂功率管MOSFET的硬件驅(qū)動方案，對轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)和電流閉環(huán)PI控制進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了SVPWM波的生成方法，并對該控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了具體闡述。通過軟件仿真和實(shí)驗(yàn)平臺性能測試，綜合驗(yàn)證了控制方案的穩(wěn)定性和可靠性。

無刷直流電動機(jī)；正弦波驅(qū)動；空間矢量脈寬調(diào)制

無刷直流電動機(jī)BLDCM（Brushless DC Motor）既保留了有刷直流電機(jī)調(diào)速范圍寬、啟動轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高等直流電機(jī)的特性，同時也避免了有刷直流電機(jī)的電刷和換向器的結(jié)構(gòu)缺陷。隨著無刷電機(jī)使用越來越普遍，其控制技術(shù)飛速發(fā)展［1］，就BLDCM的電子換相控制的模式而言，主要有方波和正弦波驅(qū)動兩種。本文提出的正弦波空間矢量控制模式［2］具有運(yùn)行平滑、轉(zhuǎn)矩波動低、噪音小等優(yōu)勢，此模式也成為永磁同步電機(jī)（PMSM）驅(qū)動領(lǐng)域的研究熱門。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)主要是由 STM32（MCU）、逆變電路、驅(qū)動電路、檢測電路和BLDCM等組成，文中SVPWM控制系統(tǒng)通過霍爾位置傳感器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，再對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等處理，計算電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，同時輸出對應(yīng)的換相邏輯PWM信號，驅(qū)動電路根據(jù)PWM指令控制逆變電路功率管得導(dǎo)通順序和時間，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速控制。

圖1 總體設(shè)計方案框圖

2 系統(tǒng)驅(qū)動電路硬件設(shè)計

逆變電路是硬件電路的主要部分，本文的MOSFET驅(qū)動電路［3］由分立元件設(shè)計構(gòu)成，與專用集成驅(qū)動芯片相比，不但節(jié)約了成本，也方便維修，非常適用于電動車控制器。本文設(shè)計的分立元件驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 主逆變電路功率管驅(qū)動電路圖

MOSFET驅(qū)動電路分為上橋臂驅(qū)動和下橋臂驅(qū)動兩個對稱的部分，以A相電路為例，分別由PWM A+和PWM A-信號控制上下管柵極電壓。驅(qū)動電路由電源電路提供的15 V供電，上橋臂的MOSFET漏極接主電源正極，源極接電機(jī)A相繞組，同時下橋臂MOSFET的漏極也接在A相繞組上，下橋臂的MOSFET源極接康銅采樣電阻。上、下橋臂驅(qū)動電路不能共用15 V電源，這是由于電機(jī)運(yùn)行時，相繞組平均電壓會升高，而上橋臂MOSFET的源極和相繞組連接，于是源極電壓就被抬高。要保證MOS?FET柵源極之間的電壓差穩(wěn)定在10 V～15 V不變，則要保證能夠同時升高柵極電壓。其中自舉電路實(shí)現(xiàn)上橋臂MOSFET柵極電壓升高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真研究

3.1 軟件整體結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的軟件部分［4］主要分為初始化子程序、主程序以及各個中斷子程序等，控制系統(tǒng)軟件部分整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

復(fù)位后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后初始化寄存器和相關(guān)變量，初始化子程序部分主要包括一些開機(jī)自檢事件如電源檢測、PWM的輸出、MOSFET的檢測等，進(jìn)入系統(tǒng)主程序，主程序主要處理一些實(shí)時性要求不高的任務(wù)，而實(shí)時性要求較高的任務(wù)，如轉(zhuǎn)子位置信號檢測、電流采樣、和PWM信號產(chǎn)生等需要在中斷子程序中執(zhí)行，中斷程序的任務(wù)分配是根據(jù)系統(tǒng)中各項指標(biāo)對實(shí)時性要求高低來確定的。

圖3 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 SVPWM子程序設(shè)計

根據(jù)前面章節(jié)的分析，基于SVPWM控制系統(tǒng)工作原理：首先將控制調(diào)速指令信號送至端口，然后將調(diào)速指令實(shí)時解算；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號采集后傳輸至端口，然后將采集所得轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行計算處理以便獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角，經(jīng)過調(diào)制后，根據(jù)控制算法給出的換相邏輯，使SVPWM模塊產(chǎn)生5段式PWM波［5］，控制驅(qū)動電路完成對逆變電路中MOSFET的開通關(guān)斷控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。SVPWM調(diào)制程序流程如圖4所示。

圖4 SVPWM調(diào)制程序流程圖

3.3 電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)仿真研究

本文在Matlab/Simulink環(huán)境中建立模型，此模型是基于id=0的永磁無刷直流電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)，并對此進(jìn)行了仿真。根據(jù)上述系統(tǒng)理論分析，主要搭建的模塊有：反電勢波形為梯形波的永磁同步電機(jī)（無刷直流電機(jī)）的本體模塊、電流坐標(biāo)變換模塊、轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)PI調(diào)節(jié)模塊、電壓坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊和逆變電路模塊等。系統(tǒng)整體仿真模型如圖5所示。

3.3.1 電機(jī)本體模塊

電機(jī)本體仿真模塊如圖6所示。在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，電機(jī)模塊的主要作用是計算電機(jī)的電路和機(jī)械參數(shù)，包括電磁轉(zhuǎn)矩、相電流及反電動勢等。仿真時可以利用仿真工具中的永磁同步電機(jī)模塊，在設(shè)置參數(shù)時將磁場設(shè)置為梯形波，將電機(jī)模型按照 BLDCM的原理［6］運(yùn)行。

圖5 仿真模型整體框圖

圖6 電機(jī)本體仿真模塊

3.3.2 SVPWM模型

根據(jù)電壓空間矢量控制基本原理，搭建SVPWM仿真模型，其中包括的子模型有：X、Y和Z的計算、時間T1、T2的確定、扇區(qū)判別等，SVPWM模塊總模型如圖7所示，扇區(qū)判別模型如圖8所示，時間X、Y和Z計算模型如圖9所示。

圖7 SVPWM總模型

圖8 扇區(qū)判別模型

圖9 時間X、Y和Z計算模型

3.3.3 仿真結(jié)果分析

通過對矢量控制系統(tǒng)的仿真［7］，得到轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形如圖10所示。可以看出轉(zhuǎn)矩脈動小，速度響應(yīng)靈敏、運(yùn)行穩(wěn)定且波動小。三相相電流的波形是相位互差為120°的近似正弦波，如圖11所示。通過對坐標(biāo)變換分解所得電流分量id和對iq波形的監(jiān)測，可知：根據(jù)id=0控制策略，勵磁電流分量id在0附近變化；轉(zhuǎn)矩電流分量iq呈周期性變化趨勢，與數(shù)學(xué)模型中的轉(zhuǎn)矩方程以及轉(zhuǎn)矩波形相一致，如圖12所示。

圖10 SVPWM控制方式轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

圖11 三相相電流波形

圖12 id和iq波形

結(jié)合圖10～圖12可以看出，采用SVPWM控制永磁無刷直流電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩波動更小、系統(tǒng)的動態(tài)性能更好。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺以及設(shè)備

搭建的試驗(yàn)平臺所用到主要設(shè)備和器件包括：本文設(shè)計的電機(jī)控制器，輪轂式永磁無刷直流電機(jī)、ST-LINK型仿真器、計算機(jī)、示波器、電機(jī)帶載測試系統(tǒng)等，其中，圖13為測試試驗(yàn)平臺，圖13所示為采用SVPWM控制技術(shù)的BLDCM控制器實(shí)物圖。

圖13 試驗(yàn)平臺

4.2 實(shí)驗(yàn)波形分析

圖14是電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，基于SVPWM控制下的三相電流波形，為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，三相電流互差120°與之前理論分析以及仿真結(jié)果一致。

圖14 基于SVPWM控制的三相電流波形

4.3 實(shí)驗(yàn)性能測試

通過測功平臺［8］對本文中的永磁無刷直流電機(jī)SVPWM控制系統(tǒng)性能進(jìn)行性能測試。其中，試驗(yàn)樣機(jī)連接電動車用輪轂式永磁無刷直流電機(jī)在測功平臺上運(yùn)行一段時間的負(fù)載特性曲線如圖15所示。

表1是電機(jī)負(fù)載特性曲線圖中的幾個最值點(diǎn)的參數(shù)，最值點(diǎn)包括：最高效率點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)及最大輸出功率點(diǎn)。所測參數(shù)是測功機(jī)提供的基本參數(shù)：電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、輸入功率、輸出功率、轉(zhuǎn)速和效率。

圖15 電機(jī)負(fù)載特性曲線圖

表1 電機(jī)負(fù)載特性曲線中幾個最值點(diǎn)參數(shù)

測試前測功機(jī)設(shè)置為：1 s后開始加負(fù)載，加載量為2（N·m）/s。實(shí)驗(yàn)過程為將電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)迅速升至最高轉(zhuǎn)速，測功機(jī)不斷加載，隨著負(fù)載越來越大，轉(zhuǎn)速不斷降低，直至降至0時，停止測試。

由圖15可以看出，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到600 rot/min，當(dāng)電機(jī)相電流在10 A～25 A之間，系統(tǒng)效率達(dá)到85%以上，說明此時是電機(jī)運(yùn)行最佳狀態(tài)。在實(shí)際測試過程中，可以觀察出系統(tǒng)運(yùn)行相對平穩(wěn)，而且噪聲較低。由于設(shè)定限流值為26 A，負(fù)載繼續(xù)增大，電流保持穩(wěn)定。系統(tǒng)能夠輸出的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩約為62 N·m，表明了該電機(jī)控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的帶載能力。

5 結(jié)語

試驗(yàn)測試過程中，將電機(jī)運(yùn)行速度從靜止拉至全速時，系統(tǒng)運(yùn)行相對平穩(wěn)，且噪聲低；即使在運(yùn)行速度降至較低的情況下，系統(tǒng)仍保持相對平穩(wěn)的運(yùn)行，電機(jī)各特性曲線連續(xù)平滑。這些數(shù)據(jù)表明在永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用SVPWM控制技術(shù)的可行性，而且充分體現(xiàn)了其在使用過程中所具有的優(yōu)越的動、靜態(tài)性能，電機(jī)噪音低、轉(zhuǎn)矩波動小、運(yùn)行平穩(wěn)。

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鄭 宏（1965-），男，漢族，福建武夷山人，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮幼儞Q器、智能電網(wǎng)及分布式發(fā)電與儲能技術(shù)，zhenghong0511@sina.com；

張佳偉（1990-），男，漢族，江蘇南通人，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o刷直流電機(jī)控制，290396691@qq.com。

Sine Wave Brushless DC Motor Control System Based on STM32

ZHENG Hong*，ZHANG Jiawei，XU Wencheng
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

SVPWM control technology is applied to BLDCM drive control，the sine wave motor control system based on STM32，the hardware part concentrates on the inverter circuit with MOSFET driver，and the relevant research of rotor state and closed-loop current PI control.It illustrates the programming of the control system.After software sim?ulation and tests on experiment platform，the feasibility of integrated approach could be verified.

BLDCM；sin-wave current driving；SVPWM；STM32

STM32

A

1005-9490（2016）06-1521-06

8320

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.046

2015-09-24 修改日期：2015-10-20