基于STM32的无刷直流电机控制系统

2013 年 第 9 期 仪 表 技 术 与 传 感 器 InstrumentTechniqueandSensor 2013 No. 9 收稿日期: 2012 12 25收修改稿日期: 2013 07 05 基于 STM32 的无刷直流电机控制系统 张晞， 曾迪晖， 王永立 ( 中国矿业大学( 北京) 机电与信息工程学院， 北京100083) 摘要: 随着无刷直流电机在运动控制领域运用越来越广泛， 介绍了一种基于 STM32 系列单片机的高性能、 低成本的 直流无刷电机控制系统， 该系统利用 STM32 内部的高级定时器、 霍尔传感器接口和硬件乘法器实现了 PWM 信号的产生、 转子位置检测和速度、 电流双闭环增量式 PI 控制; 并对该控制系统的硬件环节及其软件的实现进行了阐述。实践证明， 该控制系统具有良好的动态性能和控制精度。 关健词: 无刷直流电机; STM32; PI 调节器; 双闭环控制 中图分类号: TP212文献标识码: A 文章编号: 1002 1841( 2013) 09 0068 02 BLDCM Control System Based on STM32 ZHANG Xi， ZENG Di- hui， WANG Yong- li ( School of Mechanical Electronic and Information Engineering， China University of Mining and Technology( Beijing) ， Beijing 100083， China) Abstract: As BLDCM is widely applied in motional control domain， this paper introduced a kind of BLDCM control system based on STM32 series of ST， it has high performance and low cost It used STM32 internal advanced control timer， Hall sensor in- terfaces and hardware multiplier to achieve the PWM signal generation， rotor position detection and the speed- current double closed loop incremental PI control; it illustrated hardware structure and the programming of the control system The practice proves that the control system has excellent dynamic performance and control precision Key words: BLDCM; STM32; PI regulator; double close loops control 1系统硬件结构 控制系统通过 S 485 总线与上位机进行通信， 以 STM32F103B 芯片作为主控制器， 采用 PWM 方式控制三相电 桥( 如图 1) 调节电机转速， 采用霍尔元件检测转子位置和电机 转速， 三相电桥的低端增加一个检流电阻测定子电流。主控芯 片不断采集实际转速， 修正上位机给出的控制转速， 实现对电 机的转速闭环控制。系统结构框图如图 2， 控制器核心采用 STM32F103B 芯片， 主频为 72MHz， 芯片内部集成 USAT 控制 器， 具有 2 个 12 位模数转换器， 5 个多功能定时器， 满足采样与 定时的要求， 拥有电机控制的各类接口。它完成了 PWM 波的 产生、 速度信号、 电流信号采样的接收转换和计算处理。 图 1三相电桥 1 1驱动电路 驱动部分采用 MOSFET 构成的三相电桥实现电机所需的 三相逆变驱动电路; 三相电桥的开关管之所以采用 MOSFET 是 因为它在中小功率应用上的高频特性十分理想， 且成本不高， 适合作为无刷电机的驱动。在三相电桥的前级是隔离驱动 MOSFET 的电路， 该电路主要由 FOD3181 集成隔离驱动芯片构 成; FOD3181 不仅能够隔离主控芯片与三相电桥之间的电气连 图 2系统结构框图 接还集成了 NMOS 和 PMOS 构成的推挽电路驱动 MOSFET 的 栅极， 有着非常好的动态特性。 1 2霍尔接口电路 位置检测采用霍尔传感器， 其由于霍尔位置传感器是开漏 输出的所以必须接上拉电阻， 在工程上为防止无刷电机中的强 磁场和无刷电机控制器 PWM 载波频率的干扰要为霍尔位置传 感器添加低通 C 滤波器处理。三路位置信号的输出与 STM32 的3 个输入引脚相连， 每个输出信号的上升沿和下降沿都被检 测到， 由 STM32 的霍尔接口接收对其电平边沿检测， 当电平发生 变化时即产生一个中断， 从而实现定子换相和计算定子转速。 1 3电流检测电路 无刷直流电机的加速度与电动机的转矩成正比， 而转矩又 与电动机的电流成正比， 要实现电机的高精度高动态性能控 制， 仅仅对转子位置和速度进行检测是不够的， 还需要对电机 的电流检测和控制。电流检测采用检流电阻 s， 然后把电阻 s 上的电压信号送入信号调理电路， 调理电路分为两个部分， 第 一个是把信号送入一个比较器， 作为故障电流报警; 第二个是 把信号送入一个差分放大电路中， 然后直接送入 STM32 的 A/D 端口， 转化成数字量进行过流判断以及参与电流环运算。 第 9 期张晞等: 基于 STM32 的无刷直流电机控制系统69 2控制策略及软件实现 三相无刷直流电动机用软件实现全数字双闭环控制的框 图如图 3， 该控制系统可使无刷直流电动机获得良好的动态性 能。给定速度与速度反馈量形成偏差， 经速度调节后产生电流 参考量， 它与电流反馈量形成的偏差经电流调节后形成 PWM 占空比的控制量， 实现电动机的速度控制。速度反馈则是通过 霍尔传感器输出的位置量， 经过计算得到; 其位置传感器输出 的位置量还用于控制换相。 图 3无刷直流电机调速系统控制框图 2 1PWM 及换相控制 STM32F103B 的每个定时器都可以 PWM 输出， 其中 TIM- E1 为一个高级定时器， 它可以实现三路的互补 PWM 输出， 且 每路端口的输出都可以控制; 这样就可以直接驱动一个三相电 桥， 极大地方便了程序的编写。这样两个对角开关管中的上桥 臂采用定频 20kHz 的 PWM 控制， 另一个开关管常开， 即所谓的 单极性 PWM 控制。 无刷直流电机由于没有机械式换相机构则靠内置的霍尔传 感器实现电子换相， 对于一般的直流无刷电机来说， 定子每转动 60机械角度则霍尔传感器发出一个换相信号给主控芯片， 然后 产生一个硬件中断， 在中断子程序中查询其换相表( 由于不同型 号的电机换相表有所不同， 故换相表文中不再列出) 更改 PWM 输出端口寄存器的配置。该子程序的流程图如图4 所示。 图 4 PWM 换相控制子程序流程图 2 2电流环的实现 电流环的作用是提高系统的快速性， 抑制电流环内部干 扰， 限制最大电流保障系统安全运行， 电流环采用变速积分的 PI 调节器。变速积分 PI 算法的基本思想是: 改变积分项的累 加速度， 使其与偏差大小相对应; 偏差越大， 积分越慢; 反之越 快。变速积分用比例作用消除了大偏差， 用积分作用消除小偏 差， 大部分情况下可基本消除积分饱和现象， 同时减小了超调 量， 容易使系统稳定， 改善了调节品质。该子程序的流程图如 图 5 所示。 2 3速度环的实现 速度环的作用是增加系统抗负载扰动的能力， 抑制速度波 动， 保证系统静态精度和动态跟踪的性能， 速度环采用积分分 离的 PI 控制算法， 即在开始跟踪被控量时， 先取消积分作用， 使比例项迅速跟踪偏差的变化， 当被控量接近新的设定值时再 图 5电流环子程序流程图 将积分作用加入， 这样既可以避免超调又可缩短达到稳态的时 间， 起到了积分校正的作用。该子程序的流程图如图 6 所示。 图 6速度环子程序流程图 3实验结果 在 KEIL MDK 调试环境下， 采用 C 语言编程， 程序通过仿 真器下载到系统内存中运行， 电机运转所得速度值通过串口输 出到 PC 机， 用 MATLAB 绘制后得到闭环系统速度输出曲线如 图 7 所示。实验中速度给定阶跃值为3 000rpm 图 7闭环速度输出曲线 参考文献: 1王晓明 电动机的单片机控制 北京: 北京航空航天大学出版社， 2011 2王晓明 电动机的 DSC 控制 北京: 北京航空航天大学出版社， 2009 3郭庆鼎， 赵希梅 直流无刷电动机原理与技术应用 北京: 中国电 力出版社