基于STM32无位置传感器无刷直流电机控制器设计

华中科技大学 硕士学位论文 基于STM32无位置传感器无刷直流电机控制器设计 姓名：回毅 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：李小清 2011-05-20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 传统汽车的冷却系统系统采用机械能作为水泵控制的动力源存在的诸多弊端，运 用独立电机的水泵电控单元成为了发展趋势。而无刷直流电机则凭借着其固有的优势 成为了动力源的首选。本课题就是以无刷直流水泵电机为控制对象，采用无位置传感 器检测技术，开发基于 STM32 微处理器的无刷直流电机控制器。 文中首先对无刷直流电机控制器的历史和发展趋势进行了介绍。然后对无刷直流 电机的控制原理，无位置检测技术和常用的控制策略进行了描述与分析。明确了无刷 直流电机控制器的功能需求，提出了采用反电动势检测技术的无刷直流电机驱动器双 闭环控制的整体设计方案，并给出了关键器件的选型。运用 Altium Designe 软件设计 完成了 STM32 控制板的硬件设计。在软件开发调试方面，程序实现了系统和控制主程 序的的初始化；起动模块实现了开环条件下的三段式起动，能准确的切换到闭环控制 模式；实现了速度闭环和电流环的 PID 算法。保证电机能够平稳运行。最后通过 CAN 通信模块实现了水泵驱动器的调速功能。 目前，该控制器已通过了东风汽车技术研发中心的验收，确定了其可靠性。 关键词 关键词：无刷直流电机 STM32 无位置传感器 反电动势 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The traditional vehicle cooling system have many disadvantage result for its water pump adopting mechanical energy as power source. Instead of independent pump ECU is becoming a new trend. Therefore, by its intrinsic preponderance, brushless DC motor (BLDCM) has became the first choose of electric vehicle as the power source. In this issue the BLDCM water pump which was adopted by sensorless control method was taken as control object, and we has designed BLDCM controller which based on STM32 microprocessor. The paper firstly introduced BLDCM controllers history and developing trend. Then through describing and analysis control principle of BLDCM、the B-EMF method and same control strategies, we assure BLDCM controllers functional needs, and get whole design plan of BLDCM driver controller based on dual closed loop control system which was adopt Back- EMF measurement technique in this paper. We applied Altium.Designer software to complicate STM32 control drives hardware design. Moreover, the program that I designed achieved initialization of system and main control program. We have achieved three stages startup in the opened loop control condition, and it can accurately turn to the closed loop control module. It has made speed closed loop and electronic cycles PID algorithm coming true and kept engine running smoothly. Finally we achieved speed control function thorough CAN communication module. At present, this controller has already accomplished a test for Dongfeng Automobile technology research and development center. The test has proved that this controller can work steadily. Keywords: BLDCM STM32 sensorless control method Back-EMF 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 引言引言 电动机的运用十分广泛，在实际工程领域占据了非常重要的地位，而且电动机在 日常生活中也常常见到，是我们熟知且经常使用的机电能量转换装置 1。说到传统电 机，它有着优良的控制性能和调速性，正是这种优势使得传统电机在生活中发挥出它 的无限作用。不过，有时它的作用也会受到结构复杂、换相器及电刷易损坏、维护维 修困难、重量大等缺陷的困扰 2,3。 所以在近些年来的发展中，永磁直流电动机借助于自动控制技术、高性能永磁材 料制造技术和电力电子技术的高速发展，特别是大功率半导体器件的发展，而使得自 身也得到快速的提升。这种提升让它拥有更好的动、静态调速特性的同时又不存在励 磁损耗的问题，在加上本身体积小、转动惯量小、效率高等优点。使其在整个工业生 产中得到了广泛的应用，颇受用户欢迎。永磁直流电动机主要分为永磁同步电机 （PMSM）和无刷直流电机（BLDCM） 4，虽然机械结构相似，但是它们在控制方式、工 作原理、驱动电流有着明显的不同。在普遍的工程实际中，BLDCM 比 PMSM 更具有明显 的优越性。具体来说 BLDCM 反馈装置更简单，控制结构相对简单，而且输出转矩更 大，功率密度也比较高。这些优点使得 BLDCM 和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。 在控制精度不高的工业场合得到了更加的广泛应用。 世界的汽车工业发展至今，传统的冷却系统用水泵多采用发动机的产生的机械能 作为其动力源，通过齿轮和皮带装置传输给水泵电机，实现冷却水的循环。由于水泵 电机的转速受控于发动机运行时的实际转速。导致了冷却系统的实际散热需求和水泵 电机控制脱节，而且损耗了发动机的动力等缺点。为了克服以上缺点。如今，采用独 立动力源的水泵电控单元已经成为了汽车冷却系统的发展新趋势。无刷直流电机凭借 着自身明显的优势，便成为了独立水泵电控单元动力源的首选。 本文正是采用无刷直流电机作为汽车的冷却系统的动力源，设计开发基于 STM32 的无位置传感器无刷直流电机的控制器，并使用 CAN（控制局域网络）技术通过与整 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 车电子控制单元（VECU）的通信进行调速，实现冷却系统的功能。 1.2 无刷直流电机发展概况无刷直流电机发展概况 早在 20 世纪 30 年代，人们就开始研制采用电子换相技术来代替传统的机械电刷 的换相，并取得了一定的成果。但由于受到当时工业水平的发展，电子电力器件发展 还不成熟，只能停留在理论研究阶段。美国人 D.Harrison 于上世纪 50 年代首次申请晶 体管换相线的专利5,7，开创了无刷代替有刷直流电机的先河，这个伟大的时刻标志着 现代无刷直流电机从此诞生；1962 年，借助于霍尔元件的位置检测装置实现换相的无 刷直流电机研制成功 5；直至 1978 年的汉诺威贸易博览会上，原西德著名的 MANNESMANN 公司正式展出了该公司最新研制的 MAC 永磁无刷直流电机和完善的 驱动系统6，真正开创了无刷直流电机进入了使用阶段的时代。我国无刷直流电机的发 展开始于上世纪七十年代初期，研究工作主要在一些高校和科研院所开展。经过将近 四十年的发展，伴随着国家对电动汽车项目的重视，近几年无刷直流电机又有了迅猛 发展的势头。 目前无刷直流电机在技术上逐渐趋于成熟和完善，现代无刷直流电机控制系统在 硬件上将向数字化、总线化方向发展。采用 DSP（Digital Signal Processor）为控制核 心的直流无刷电机控制器并结合 CAN 总线通讯技术17，再引入一些先进的智能控制算 法来提高控制性能，已成为了国内外的主流设计方法。并且借助 DSP 高速的实时运算 与处理能力，可以较为容易地实现这些复杂的控制算法。基于 DSP 的无位置传感器无 刷直流电机控制器的相关产品已经趋向成熟。所不利之处在于 DSP 芯片的成本相对较 高，而且设计复杂，研发成高且研发周期长。 随着 ARM 公司在 2007 年推出了最新的 32 位闪存微控制器STM32 系列芯 片，它使用了突破性的 Cortex-M3 内核，集高性能、低功耗、具有竞争性价格于一体 的极大的满足了现代嵌入式系统的要求。并特别为永磁无刷电机提供了 6 路脉宽调制 信号（PWM）输出。基于 STM32 的无刷直流电机控制器，在保持高性能的控制需求的同 时，很好的降低成本和缩短研发周期。逐渐成为了现代电机控制开发的核心。本文就 是设计的水泵驱动器就是基于 STM32 芯片，并带有 CAN 通信的无刷直流电机控制器。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.3 课题研究的来源及意义课题研究的来源及意义 本课题来源于东风汽车技术研究中心的合作项目，内容为“无刷直流水泵电机驱 动板的开发” 。本文主要的内容是无刷直流电机驱动板的设计。 目的：研究设计基于 CAN 总线通讯的无刷直流电机控制器，应用于汽车独立水泵 电控单元无刷直流电机的控制，实现汽车冷却系统的智能控制。 意义：目前传统汽车的水泵运行受控于发动机的运行状态，控制方式相对被动存 在诸多缺点：例如，当汽车处于爬坡阶段的高负载情况下，发动机转速降低，扭矩加 大，发热量增大。但是水泵转速随着发动机转速的降低一同下降，功率下降。反而在 此种情况下，散热能力反而大大下降。和发动机高负载条件下的散热需求形成矛盾。 而且传统的控制方式增大了发动机的负载，降低了工作效率。为了解决上述问题，独 立动力源的水泵电控单元成为了未来汽车冷却系统的发展方向。 而采用独立动力源的水泵控制方式，可以根据发动机的实际散热需求和循环水温 度来进行有效的水泵电机控制。当高负载情况下增加水泵的转速，提高功率，加强散 热效果，控制循环水温；当发动机处于高速，低负载情况下时。采用合适的水泵转 速，相比于传统情况的高转速，大大提高了能源利用率；而且分担了发动机的实际负 载，提高了发动机的效率；还有独立的水泵控制单元，采用无刷直流电机作为动力 源，使用蓄电池供电，消耗的是电能。当汽车处于下坡运行状态时，蓄电池充电后容 易出现饱和情况。此时水泵用无刷直流电机就提高了蓄电池电能的利用率。使整车系 统运行更加可靠，能源利用率也大大提高。 开发设计出功能完善的直流无刷电机水泵的驱动板是汽车冷却系统中必不可少的 工作任务，也是本文最终要解决的主要问题。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 2 无刷直流电机系统的工作原理和控制方法无刷直流电机系统的工作原理和控制方法 2.1 无刷直流电机的基本工作原理 2.1 无刷直流电机的基本工作原理 2.1.1 无刷直流电机的组成 2.1.1 无刷直流电机的组成 无刷直流电机，别名电子换相电机，是一种电气旋转式机械，具有类似于感应电 机经典的三相定子。其转子表面装有永磁体，转子上没有电刷，换相需要通过在某些 转子位置上以电子方式完成，这也即是电子换相电机别名的由来。其定子通常由磁铁 薄片制作而成，定子的相位绕组插入凹槽中（即分布式绕组） ，或是可以做成绕在磁极 上的线圈13。因为气隙磁场是依靠永磁体产生的，所以转子的磁场恒定。永磁体的磁 化以及它在转子上的分布经由选择后，能使定子绕组上反电动势的波形变成梯形，从 而可以采用这种矩状波形的直流电压来生成低转矩纹波的旋转磁场。此种电机的每个 相位可有多对磁极，而每个相位的磁极对数决定了电气旋转与机械旋转的比率。 相对于其他传统的有刷电机，其具有如下优点14-15： 能获得相对更好的扭矩转速特性； 高转速高效率； 低噪声高动态响应； 寿命更长； 所施加的矩形电压十分容易产生，因此电机的控制和驱动变得更加简单。但是其 重点在于，当我们必须知道转子的位置在某个特定角度时，才能使所施加的电压与反 电动势（back-EMF）对齐，在这里，反电动势与换相动作的对齐是非常重要而必要 的。因为只有这样，电机才能用作直流电机并且以最高的效率运行。所以，只有控制 和实现的简单才能使 BLDCM 成为低成本、高效率应用的最佳选择。本文中所设计的 控制驱动器，就是以 BLDCM 作为其控制对象。下图 2-3 正显示出 BLDCM 三相电压 和反电动势的关系。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 2.1.2 无刷直流电机的数学模型 无刷直流电机的数学模型 经典的无刷直流电机的三相桥式驱动电路设计等效电路如图 2-1 所示。 图.2-1 无刷直流电机等效电路图 根据电机的等效电路图，可知三相绕组的电压方程，如下： 00 00 00 aaaan bbbbn ccccn uiieurLMM uriMLMp ieu rMMLuiieu =+ （2-1） 该式中 ua、ub、uc和 ia、ib、ic分别为三相相电压和电流；un为中性电压。根据文献18 计算可以得到电压方程为公式（2-2） 0000 0000 0000 aaaan bbbbn ccccn uiieurLM uriLMp ieu rLMuiieu =+ （2-2） 根据文献19，可以计算出电机的反电动势方程为： eTa TCI = （2-3） 其中 e C 为电势常数， 为每极的磁通量。 又根据文献19，可以计算出电机的转矩方程为： eTa TCI = （2-4） 其中 T C 为转矩常数， a I 为电枢电流。 2.1.32.1.3 换相原理 换相原理 永磁无刷直流电机的换相电路是实现其平稳换相的关键，用来控制着无刷直流电 机三相绕组通电依次顺序和时间。常见的通电换相顺序如下图 2-2 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 图 2-2 换相时序图 常用无刷直流电机的逆变器采用三相桥式主回电路的控制方式一般有 2 种：二二 导通模式和三三导通模式 21。根据上图换相时序图可知，这两种工作方式，一个周期 都存在 6 种导通状态，以 60电角度为间隔改变。 由于两种导通模式相比较，二二导通较三三导通方式电磁转矩更大，稳定性更 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 好，而且结合本文的反电动势检测法，使控制更为简单。所以本系统设计采用的是传 统的二二导通模式，即任意时刻都有而且只有 2 只开关管导通。结合上图 2-1 和图 2-2 可以推出功率管的导通顺序依次是：T6、T1- T1、T2- T2、T3- T3 、T4 -T4、 T5- T5、T6。每个功率管导通 120电角度，之间间隔 60电角度，并处于关断状 态，可以很好的避免死区的产生而发生主回路直通短路，此种工作方式称为两相导通 星型三相 6 状态方式26。 由此可见逆变器功率管的换相时刻精准确定就成为了调速控制的重中之重。下面 将主要介绍常用无位置传感器检测技术来确定换相时刻。 2.2 无位置传感器无刷直流电机的控制方法 2.2 无位置传感器无刷直流电机的控制方法 无刷直流电动机的位置检测主要分为采用霍尔传感器检测方法和无位置传感器检 测两大类。目前，无位置传感器检测技术由于无需安装传感器，就可以采集到位置信 号。省去了霍尔传感器成本的同时使电机体积也得以缩小；而且少了传感器的干扰大 大增强了电机的抗干扰性、稳定性和可靠性，寿命得到了延长。成为了无刷电机位置 检测的主流方法。国内的研究表明，大多数方法都是采用测量定子的电压、电流方法 来估算转子位置，从而确定换相时刻。归纳总结后可以分为反电势过零检测法、反电 势积分法、电感检测法、续流二极管法、状态观测器法、电动机方程计算法、人工神 经网络法等 21-23： 2.2.1 反电势过零检测法 2.2.1 反电势过零检测法 当电机工作在两相导通星型三相 6 状态方式时反电动势波形与功率开关的导通关 系如下图 2-3 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 图 2-3 反电动势波形与功率管导通逻辑图 根据图 2-3 可以看出，当 AC 相导通时，T0 时刻经过 30电角度后进入了 P2 换相 时刻，BC 相导通时，T1 时刻又经过 30电角度进入 P3 换相时刻，依次循环。分析得 到反电动势过零点信号后延迟 30电角度后即为下一换相时刻。根据这一原理，提出 了反电动势过零点检测法。其具体方法主要分为相电压法和端电压法。 又依据上文图 2-1，在 BLDCM 运行过程中，总有一相功率管悬空。在相电压法中， 悬空相绕组的相电压就可以认为是该相反电动势。通过比较相电压和中性点电压就可 以得到过零点信号。 端电压检测法是在相电压法的基础之上并不引出中性点电压的情况下，检测确定 过零点信号。由反电动势的检测原理可知，当检测到得反电动势处理后的 Ubo值和 Ud相 等时即为 B 相反电动势过零点。 由于芯片无法直接检测母线电压，需要经过降压处理来比例降低反电动势电压 值，还需经过低通滤波电路，过滤高频分量的干扰27。所以检测是带来了一定的相位 延迟角。常用的反电动势检测电路如下图 2-4 所示 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 d U 1 R 2 R 3 R ao U 4 R 5 R 6 R a U bo U 7 R 8 R 9 R b U co U 10 R 11 R 12 R c U C CC C 图 2-4 反电动势检测电路 根据电路的矢量计算方法，可以计算出 检测电压和相电压矢量比： ao6 a5656 (2) UR URRjfR R C = + （2-5） 检测电压和相电压延迟角 56 56 2 arctan fR R C RR = + （2-6） 其中f为反电动势变化频率，和电机转子的旋转频率相等。 因此在实际的电路设计中因考虑延迟角对电路的影响，合理的选用电容 C，保证 延迟角在30角以内。并采用软件补偿算法的方法来提高系统的控制精度。 2.2.2 反电动势积分法 2.2.2 反电动势积分法 反电动势积分法是一种以积分信号来获取转子位置信息的检测方法28，其中的积 分信号主要是由电机非导通相的反电动势产生的。其过程是从关断相反电势过零点后 开始进行反电势积分，中间设置一个门限，这个门限作用于截止积分信号。在运行时 当信号的大小达到一个固定阈值进行反向复位，然后积分器清零 29。如果期间的信号 大小没有达到这个固定阈值，那么在其整个速度运行范围内，反电动势和转子速度沿 它们两者的线性关系（斜线）规律变化。不过其中有一个注意事项，即复位信号保持 足够时间用来保证电流降为零点之后启动积分器，这样是为了避免积分器由电机启动 开始积分。这种方法也不是没有缺陷，它对于开关噪声不敏感,造成积分门限会根据转 速信号自动调节。还有电机低速运行时又由于误差的积累造成一些问题。 所以为解决该问题，接着出现了基于以上方法的改进方案，具体为换相信号从对 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 悬空相反电势进行模拟积分中获得29。此方法以反电势在过零点附近线性（与无刷直 流电动机的转速无关）的假设为前提，最开始从悬空相反电势过零点时刻起积分，与 反电动势积分法相同的是，换相时刻同样为积分电压达到设定阀值。不过，为了达到 随转速变化自动换相（即实现超前或者滞后换相）的目的，所设定的阈值是可以进行 合理调整的。使用过程中采取一些手段降低 PWM 操作产生的干扰是必须的措施。 2.2.3 续流二极管法 2.2.3 续流二极管法 这种方法本质上还是反动势法检测方法的延伸。是通过对并联于逆变器功率开关 的换相二极管监测30，检测数相应的非导体状态续流二极管间接的获得反电动势的过 零点信号。因为BLDCM运行时的功率开关总有一相处于断开，和上文用来检测反电 动势相相同。所以通过监视逆变器主回路中二极管的关断情况就可以查表得出功率管 的后续导通顺序。 相比于反电动势法，在转换了检测的对象后，克服了在启动或者低速运行时电动 势法检测弊端，改进了低速状态下的调速性能。根据文献40显示，调速范围可以低至 45rmp。但其方法也有如下缺点： 检测电路需要独立电源提供给二级管； 由于信号干扰等因素，导致换相点检测存在位置误差； 需要对二极管进行轮流控制，增加了控制难度。 2.2.4 状态观测器法 2.2.4 状态观测器法 现代控制理论中，需要观测全部的状态变量, 然而由于受实际工程条件的限制， 并不是每一个状态变量都那么容易能被检测出来，状态观测器法便应运而生。 “状态观 测器法”就是以电动机的转子转速、位置角、电枢电压、电流等多种参数作为状态变 量 32，以此为基础建立电机相关的数学模型，然后通过数字滤波的方法得出状态变量 的离散值，确定转子的位置，最终实现对电动机的控制。此方法有着很好的抗干扰能 力，理论上而言， “状态观测器法”对于高速无刷直流电动机的控制、高负载电机控制 系统都有着很好的适用性，特别是在恶劣的工况环境中，更能发挥其优势。 “状态观测器法”运算非常复杂且繁琐，需要借助高性能的 DSP 数字信号处理等 芯片进行运算。这对于普通的工程来说，运算成本相对较高，过程控制也非常复杂。 所以此方法仅仅适用于高速高精度高要求的工程环境。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 目前所知的使用较多的状态观测器法是卡尔曼滤波法。由于这种算法是一种递推 型滤波算法，因此可以在电动机控制中，根据控制目的不同，灵活地选取不同状态的 变量，建立起不同系统模型和观测模型。卡尔曼滤波器使用程序:首先建立数学模型， 接着定时周期地检测三相端电压和定子绕组电流这些变量，经算法策略确定电动机转 子的位置和计算速度的基本估计值。此外可以提及的是，在速度闭环控制的过程中， 需要选取的转子的相对位置与转速作为状态量，采用机电方程做系统模型32。在直接 转矩的控制过程中，需选取定子磁链作为建模的状态变量，使用磁链闭环观测器做系 统模型。 2.2.4 其他方法 2.2.4 其他方法 目前，无位置传感器检测手段比较成熟，方法还有很多种，比如通过检测三相绕 组的电感量来确定过零点的电感观测法；测量电机电压和电流关系来建立数学模型的 电动机方程计算法等其他的状态观测器法；现在流行的神经网络法；新颖的G（）函 数检测法等等。 总结起来反电动势及其延伸方法最为可靠，但是根据上文公式（2-3） ，反电动势 ee ECn=，可知转子停机静止时没有产生反电动势信号，无法检测；低速运行时反电 势幅值太小，抗干扰能力差，也无法提供正确的位置信号，无法实现速度闭环控制。 综合考虑各种方法的优缺点和工程的实际需求，本系统采用技术相对成熟的反电 动势过零检测法来检测转子的位置信号。为了克服电机启动和低速运行状态下，反电 动势信号不能满足检测要求的弱点，下文提出了相关的起动方案。 2.3 无刷直流电动机起动方法 2.3 无刷直流电动机起动方法 上文分析可知，当采用反电动势检测法的控制策略时。开环状态下的电机启动对 于整个控制策略的成功运行至关重要。无位置传感器BLDCM常用的起动方法如下： 2.3.12.3.1 三段式起动 三段式起动 三段式起动方法是最常用，也是控制策略相对最简单，可靠性相对最高的起动方 法。其启动环节包括转子预定位、开环加速控制、闭环控制切换三个阶段35-37。因此 称为三段式启动。具体的起动过程如下 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 2.3.1.1 转子预定位转子预定位 旋转转子由于在停机时的不确定性，无法预知起始功率管的导通相。因此采用给 定一个规定的合成磁场的方法，人为控制转子的起始位置。在起动过程开始时，直接 导通AB相功率管，并导通足够的时间。使转子的磁极与合成磁场的轴线重合，来定 位转子。那么就确定了下次导通的功率管为AC相。 理论上当转子未通电时的磁极方向与合成磁场的轴线为180度时，存在锁死点。 但是由于实际工程中外界环境的存在振动等干扰，都破坏了这个不稳定状态。因此可 以完成定位。而且转子的磁极方向与合成磁场的轴线重合后，是处于摆动状态。所以 需要考虑到这些极限情况，再根据电机的机械特性确定初始给定的电压加载幅值和时 间。 2.3.1.2 开环加速控制开环加速控制 转子成功定位后，根据查询功率开关逻辑表来依次导通跟功率开关。在加速期 间，不断的增加PWM的占空比来提高平均加载电压值，同时减小切换周期。使转子 加速旋转，直到满足反电动势过零点的检测条件。为闭环控制做准备。 开环加速控制的关键就是设置合理的电压增量和切换周期的缩小量。使其尽量满 足负载情况下的机械特性，接近最佳换相点。保证转子旋转与开环信号同步，防止电 机失步所导致的无法正常启动。 2.3.1.3 闭环控制切换闭环控制切换 闭环控制切换的成败直接关系到电机是否能正常起动。通过设置变量T来控制开 环加速过程所需的时间，当开环加速经过给定的周期后，说明当前信号转速大于等于 预先设定的参考转速后。启动三相电压检测功能，检测反电动势过零点信号，进人微 处理单元（MCU）计算得到当前转速；根据实际情况和控制策略调制占空比，继续检 测过过零信号，并与功率开关逻辑表比较。当连续检测到3次正确的过零点信号时， 说明电机进入了最佳换相逻辑状态。此时可以平稳的切换到闭环控制。 当达到了参考转速后，假设系统处于上升沿换相时。检测到反电动势换相信号相 位超前了开环控制信号，则减小PWM的占空比，使电机减速匹配外部的同步信号； 反之依然。直至连续三次检测到正确的过零点信号。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2.3.2 脉冲注入法 2.3.2 脉冲注入法 该方法是在外部围绕电机圆周依次施加均匀分布的6路相同的直流电压，电压矢 量激励产生的电流响应按照规律分布，因此可以确定转子不同的绝对初始位置信号。 然后按照功率开关逻辑表依次导通功率管，并继续用此法重新确定转子的绝对位置。 依此类推，直到满足切换条件。 成熟的电机起动还有很多，但其各有优缺点，工程适用场合也不同。本系统采用 的是最成熟的三段式起动方案，来实现BLDCM的起动，弥补反电动势无位置传感器 控制系统的不足。 2.4 本章小结 2.4 本章小结 本章首先介绍了BLDCM控制系统的基本组成和控制方法，建立了BLDCM控制 的基本数学模型。然后重点介绍了反电动势过零点检测的无位置检测方法。通过分析 为了克服反电动势过零点检测的弊端，详细介绍了三段式起动方法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 3 无刷直流电机控制器的总体设计 3 无刷直流电机控制器的总体设计 冷却系统的水泵控制器是汽车控制系统的核心辅助部件，是保证发动机正常高效 运行的关键。他直接通过和整车控制器（VECU）相连，通过接受CAN总线的命令控 制，从而实现对冷却水泵的控制，保证汽车的内部的循环水的正常工作。 3.13.1 水泵控制系统的组成水泵控制系统的组成 下图为汽车冷却系统模块的系统结构图： 图 3-1 冷却模块系统结构图 由上图可知，整个水泵控制系统包括整车的电子控制单元（ECU）接受循环水的温 度信号，按照需求计算，通过 CAN 总线向水泵控制器发出控制命令信号，无刷直流电 机驱动器接受到 CAN 报文控制信号后经过 STM32 芯片的 PWM 调制来控制逆变器开关输 出三路模拟信号控制直流无刷水泵电机的运行的。水泵用无刷直流电机驱动器作为冷 却系统的控制单元，直接保证了冷却水的正常循环。 反电动势过零检测 DM3 DM2 DM1 散热器 发动机 温度检测 STM32 水泵控制器 整车 ECU 整车 CAN 总线 BLDCM逆变器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 3.23.2 无刷直流电机控制器需求和功能分析无刷直流电机控制器需求和功能分析 3.2.13.2.1 控制器的需求分析控制器的需求分析 水泵用无刷直流电机控制器是保证发动机正常工作的关键部件10，但是汽车在行 驶过程中，由于路况，气候等原因。汽车内部本身会产生强烈的振动，电磁干扰和热 能辐射，为了使车辆运行性能平稳，系统需要满足以下要求： 1. 电路要有比较强的抗振能力，保证整个系统的可靠性和稳定性； 2. 能够在水泵的启动加速运行制动时保持平滑控制，保证电机不失步； 3. 采取有效的隔离防护措施，保证整车 ECU 的 CAN 节点通讯正常，提高其稳定性 和抗干扰能力； 4. 具有良好的电磁兼容性，满足国家相关的电磁兼容性标准。 根据实际水泵无刷直流电机参数，该驱动器的设计适用于 50W 和 200W 两种直流无 刷电机的需求。具体的性能指标如下表 2-1 所示： 表 2-1 无刷直流电机驱动器基本规格和性能需求表 驱动器供电电源 低压 12V-14V DC 适用电机 可适配 50W 和 200W 两种无位置传感器直流无刷电机 输入信号 CAN 总线通讯/外部模拟电压 05V 进行调速 最大输出功率 500W 控制方法 速度控制 控制方式 采用闭环/开环控制（启动） 力矩型控制 PWM 形式 方波 25KHz 调速范围 5006000rpm 响应速度 1000r/s 主电路接口 主电路接口三根线，U、V、W 三相 控制器接口 控制器接口采用四根线，电源正 P+、电源负 G、调试 控制输入 PWM 工作温度 -30-100 保护功能 过电压保护（输入） ，过电流保护，空转保护，堵转 保护 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 3.2.13.2.1 控制器的功能分析控制器的功能分析 本文设计的水泵用无刷直流电机控制器接收整车 ECU 提供的模拟控制信号或者 CAN 总线的控制命令需求，通过比例积分微分（PID）控制策略的运算产生符合需求的 PWM 信号控制逆变器开关，产生合适的扭矩控制水泵的启停，调速等功能。并反馈给整车 ECU 其当前的工作状态。该系统具有以下功能： 1. 电源转换功能，将外接 12V 的模拟电源转换为相关控制芯片工作的+3.3V 和光 耦芯片工作的+5V 电压； 2. 接收 CAN 总线的控制命令，按照规定的控制策略处理后控制水泵电机的运行； 3. 检测逆变器的电流，实现过流保护和空转保护。 3.33.3 控制系统关键器件选择控制系统关键器件选择 在系统设计的初期首先要考虑的就是该设计方案的器件选择，而最为关键的就在 于控制电机的选取控制核心的选取和功率驱动器的选取，本节就其进行了详细的阐 述。 3.3.13.3.1 无刷直流电机的选择无刷直流电机的选择 目前直流无刷电机的种类品种相当繁多，功率从几瓦到甚至几百千瓦；有位置传 感器的和无位置传感器的；两两导通方式和三三导通方式等等。根据冷却系统的实际 需求，本系统选用了 50W 和 200W 的无位置传感器的无刷直流电机，见下图 3-2。具体 参数如下： 1. 50W 无位置传感器的无刷直流电机： 额定功率：50W（电机轴输出功率为 46.5W） ； 额定电压：12V（可工作在电源为 DC8 到 16V） ； 额定转速：4800rpm, 空转转速 6000rpm，调速范围：2500rpm5000rpm；精度 100rpm； 额定转矩：0.14Nm； 其他参数：定转子9/6极，每相绕组电感量 5.63526e-005 H，100时直流电阻 为0.0514478 ohm，20时为 0.0391618 ohm；反电动势常数Ke=0.0195599 Vs/rad, 转 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 矩常数Km =0.0209237 Nm/A。 2. 200W 无位置传感器的无刷直流电机： 额定功率：200W（电机轴输出功率为 160W） ； 额定电压：12V-14V（可工作在电源为 DC8 到 16V） ； 额定转速：4500rpm, 空转转速 6000rpm，调速范围：2500rpm5000rpm；精度 100rpm。 额定转矩：0.34Nm； 其他参数：定转子12/8极，每相绕组电感量 5.13735e-005 H，100时直流电 阻 0.0167359 ohm，20时 0.0137666 ohm；反电动势常数Ke =0.0179487 Vs/rad, 转 矩常数Km 0.0246282 Nm/A。 图 3-2. 无刷直流电机水泵 两种功率的电机用三相星形联结全控电路，采用最常用的二二通电方式。 3.3.23.3.2 控制器芯片的选择控制器芯片的选择 MCU 是控制器的核心和大脑，他的性能优劣直接影响到了系统性能的发挥和控制的 效果，为了满足系统的实时性和控制精度的要求，本系统的硬件电路采用的是 Cortex- M3 内核的 STM32 处理器。该芯片是一款高性能低成本低功耗的 32 位 RISC 处理 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 器，运算速度高，可以达到 72MHz，完全满足了水泵用无刷直流电机的控制要求。 STM32 芯片是意法半导体公司于 2007 年推出全新的 ARM 核微控制器 41，和传统无 刷直流电机控制器多采用的单片机和 DSP 芯片相比，很好的结合了二者的优点： 一相对于单片机的一般为 6MHz24MHz 的的运算速度，STM32 速度可达 72MHz， 处理能力达到 1.25DMIPS，完全胜任无刷直流电机的控制器的开发要求。 二相比于 DSP 内部集成度更高，集成了 12 个 DMA 通道7 个定时器2 个 12 位 模数转换器看门狗等等；硬件的整体集成度和功耗效率大大提高；价格优势也更为 明显。 三STM32 增强型系列内嵌非常适合三相无刷电机控制的定时器和 ADC，其高级 PWM 定时器提供: 6 路 PWM 输出； 死区产生； 边沿对齐和中心对齐波形； 紧急故障停机，可与 2 路 ADC 同步及与其它定时器同步； 可编程的防范机制可以用于防止对寄存器的非法写入； 编码器输入和霍尔传感器接口； 提供完整的矢量环控制：无传感器模式下为 21us。 双 ADC 结构允许双通道采样/保持，以实现 12 位精度、1 ms 的转化。此双 ADC 结 构为 2 个工作在非连续模式的独立的时序控制，具有多个触发源，并且每个通道的采 样时间可编程 14。 上述优点说明 STM32 非常适合低成本的无刷直流电机控制器的开发。 3.3.33.3.3 功率驱动器的选择功率驱动器的选择 随着电子技术和半导体制造工艺的发展，电力晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管 (GTO)、电力场效应管(MOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、智能功率驱动模块 (IPM)相继问世，功率驱动器发展越来越成熟。集成度，可靠性，智能化都大大提高， 体积也越来越小。 综合考虑到控制精度和电机工作电压电流和成本等因素，本系统选用MOSFET全 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 称功率场效应晶体管。其热稳定性好、安全工作区大。 3.4 本章小结 3.4 本章小结 本章首先基于电机参数明确了控制器的设计需求和功能。重点给出了水泵控制系 统的总体框架。选用了STM32作为该系统的主控芯片，选用功率场效应晶体管作为功 率开关。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 4 无刷直流电机控制器的硬件设计4 无刷直流电机控制器的硬件设计 4.1 控制系统总体构架 4.1 控制系统总体构架 无刷直流电机的控制系统是基于ARM-STM32微处理器的控制系统，MCU选用 48引脚的封装的STM32F103CBT6芯片作为控制核心，包括功率驱动模块，反电动势 检测电路，电源管理模块和通信模块组成，控制器系统的结构框图如下图4-1所示。 速度控制电流控制PWM控制 驱动 电路 逆变器 反电动势 检测 BLDCM A/D模块 A/D模块 电流检测 STM32 电源管理模块 +3.3V DC 12V 功率 驱动 速度 设定 通信模块 - + - + 图 4-1 控制器系统的结构框图 由上图4-1可知，整个系统是以12V直流供电，通过电源管理模块转换成两路独 立的+3.3V和+5V给整个系统供电。其中12V直流电直接供给逆变器；+5V供给通讯 模块的光耦芯片；+3.3V供给STM32芯片CAN通信芯片等其他电子器件。STM32 通过接受上层整车ECU速度控制信号计算PWM占空比。功率驱动模块包括三相桥式 逆变电路，电流诊断和电流检测电路，并通过STM32芯片给出的PWM信号驱动无刷 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 直流电机转动，同时将电流检测信号或电流诊断反馈给STM32进行电流反馈和电路保 护。无位置传感器无刷直流电机的位置信号经过反电动势测量电路反馈给STM32，经 过A/D转换，转速计算，通过PID控制策略完成速度闭环，构成完整的闭环的伺服系 统。通知STM32还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路过压，过流等故障时 封锁PWM信号，使电机停止工作，并产生报警。 该系统的无刷直流电机驱动器板见下图4-2所示。 图 4-2 无刷直流电机驱动板 4.2 微处理器控制电路设计微处理器控制电路设计 本为所设计的控制电路核心选用的控制芯片是STM32F103CBT6。微处理器与外 围电路的如下图4-3所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 图 4-4 微处理器与外围电路 控制芯片STM32F103CBT6采用的是LQFP48的封装形式，有32K字节的Flash 和10K字节的SRAM。外部晶振选用8MHz的晶振作为系统时钟源，内部晶振选用 32.768kHz的晶振作为RTC时钟源，工作主频为72MHz。芯片尺寸只有7mm7mm， 相比DSP芯片尺寸24mm24mm，有着巨大的优势，更加小巧灵活是印刷电路板的的 体积大大缩小。本芯片的结构框图如下图4-5所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 图 4-5 STM32 处理器结构框图 由框图4-5可知该芯片具有如下特点： 哈佛结构； 72MHz 的工作主频，运算速度高达 1.251.25DMIPS，强大的计算能力，轻松实 现矢量算法； 先进构架的Cortex-M3内核，采用 Thumb-2 指令集，用 16 位的代码密度换来 32 位的性能； 具有杰出的功耗控制； 灵活的 GPIO 配置； 众多的通信接口：2 个 USART，CAN2.0B，USB2.0，I 2C,SPI 等 强劲的外设：2 个 10 位 ADC，专为电机控制的高级定时器提供 6 路的 PWM 输出 等。 由STM32F103CBT6的特点可知，不仅体积小巧，性能更加强劲。其拥有非