基于ST7MC无位置传感器无刷直流电机的控制系统设计.

基于 ST7MC 的无刷直流电动机通用控制系统设计摘要:本文利用 ST7MC 电机控制专用芯片以及驱动芯片 L6386,设计和实现了对无刷电 动机通用控制系统,利用该控制系统既可以实现无刷直流电机的有传感器和无传感器控制,同 时也具有电压控制模式和电流控制模式,实验验证了该系统的良好调速和启动性能。关键词:无刷直流电动机;无位置传感器;反电动势Abstract1 引言无刷直流电机 (BLDCM 是当前工农业上应用最为广泛的电机之一, 它突出的优点是体积 小,重量轻,无换相火花,易于调速控制等。传统的无刷直流电机大都以霍尔元件作为位置传 感器,并与电机的定子绕组内嵌在一起,这使系统的维护和制造都很不方便,加上霍尔元件的 温度特性不好,具有一定程度的磁不敏感区。同时霍尔元件还大大增加了电气联结线数目,给 抗干扰设计带来一定困难。在精确的位置伺服系统中,位置传感器也占了整个系统成本的一大 部分,有些传动系统由于空间有限,没有安装传感器的余地。因此,在小型,轻载和恶劣环境 下,无位置传感器的无刷直流电机成为理想的选择。意法半导体公司(STMicroelectronics 开发的 ST7MC 芯片专用于无刷直流电机的控制, 内部含有意法半导体自有的反电动势检测技术,专门用于电机控制的片内外设(MTC ,既可 实现有位置传感器无刷直流电机的精确控制, 更适合于控制无位置传感器无刷直流电机的控制。 无位置传感器控制方式下只需通过三个电阻将电机的三项绕组直接与单片机的输入接口相连即 可得到电机转子的位置信息,简化了系统结构及控制策略,具有结构简单易于实现等特点。2硬件系统设计ST7MC 是意法半导体公司专门为电机控制设计的芯片, 特别适合于 3相无刷直流电机的控 制。 片内集成有 8K 到 60K 的 FLASH 或 ROM 、 低电压监测器 (LVD 、 辅助电压监测器 (A VD 、 看门狗、高抗噪性的电磁兼容电路等。另外,通过编程可实现读 /写保护、多种低功耗模式,可 有效降低在不同工作模式下的功耗。片上外设主要包括 10位多通道 A/D转换器, SPI , LINSCI 接口,还有 8位和 16位带 PWM 功能的定时器和电机控制外设。电机控制外设(MTC 可看成 是一个脉宽调制多路复用器,它有 6路输出和 1个用在无刷直流电机不带传感器控制时的反电 动势过零点检测电路,主要包括以下五部分:(1 输入检测电路包括比较器, 多路复用转换电路和一个编码电路, 既可用作反电动势 检测,又可作为速度传感器接口电路;(2 延迟管理电路包括一个 8/16位的定时器和一个 88位的乘法器,即可用于 8位的 延迟管理又可用于速度管理单元;(3 PWM 管理电路包括窗口发生器,模式选择器和一个电流比较器;(4 通道管理电路包括 PWM 波多路复用转换器和死区管理等;(5 三相 PWM 波发生器包括 12位的计数器和一个循环计数器。门级驱动采用意法半导体公司开发的高压驱动器 L6386,采用泵升及高压浮动技术完成高 压侧功率模块的驱动,输入为 TTL/CMOS逻辑信号,耐压高至 600V ,且具有快速过流保护功 能。具有两路逻辑输入和两路逻辑输出和自关断功能。ST7MC 控制无传感器无刷直流电机的拓扑结构如图 1所示: 图 1 无传感器无刷直流电机拓扑结构3.利用 ST7MC 芯片实现无位置传感器的控制原理ST7MC 中无刷直流电机控制是基于标准的三个半桥 6个步长控制原理。如图 2所示, G 1, G 3, G 5是电机 A , B 和 C 相绕组的上端开关管; G 2, G 4, G 6是电机 A , B 和 C 相绕组的下端 开关管。在每个电子周期(6个步长都有两相绕组励磁,而另外一相没有电流流过。比如在 第一步, A 相绕组正向励磁,电流正向流过; B 相绕组反向励磁电流反向流过,而 C 相没有电 流流过。应用 ST7MC 控制无刷直流电机在无传感器模式下,我们通过没有励磁的相上读得反 电动势信息。 图 2 三相方波无刷直流电动机主回路图 2中逆变桥功率器件有 6种触发组合状态,并且与转子位置或者反电动势波形对应。由 反电动势的波形就可以正确判断转子位置,从而确定规则,完成无刷直流电机转子位置闭环的 自控运行方式。 由图 3可知, 在 T 0T 0+T的一个周期内, 从时刻 T 0T 1T 2T 3T 4T 5T 0+T的 6个状态,根据反电动势波形可得功 率 器 件 的 导 通 规 则 依 次 为 :G 5G 6G6G 1G1G 2G2G 3G3G 4G4G 5,以 A 相为例,在 e a 过零点 t 0经过 30度延时即为 G 1触发时刻 T 1,在 T 0T 1期间, G 1、 G 4均关断,电机 a 相绕组悬空,则 a 相端电压等于其感应电势,由于永磁无刷直流电机中的电枢反应是交轴方向,对主磁通的影响较小,因而可以近似认为绕组中的感应电势等于反电动势, 而绕组反电动势的过零点就发生在该相绕组悬空期间。所以通过检测 a 相的端电压可以间接地 检测该相反电动势的过零点,从而确定无位置传感器无刷直流电机的换向时序,实现闭环自控 运行。无刷直流电机的有功功率表达式为:P e =E*IE 指反电动势, I 指定子绕组中的电流。当反电动势过零点,为了得到最大的效率,换相必须发 生在绕组电流和反电动势同相位。因此控制过程中要时刻保持定子绕组中的电流和反电动势信 号同相位。ST7MC 内置有运算放大器和比较器, 可以对电子绕组电流采样信号进行放大, 实现两种不 同的驱动模式:恒电压模式和恒电流模式。电流模式下以定子绕组中的电流为直接控制对象,通过单片机内部的 PWM 占空比和外部 RC 电路来改变电流设定的参考值, 可以精确的跟踪定子绕组中的电流, 可实现输出力矩的直接 控制。电压控制模式下以定子绕组的电压作为直接控制对象,直接改变 PWM 占空比电压参考值 的方法来控制电机转速,定子绕组电流反馈信号仅被用作限流保护。 ST7MC 对无刷直流电机的控制基于 3个事件的处理:反电动势过零点事件(Z 事件 、换 向(C 事件 、绕组去磁结束(D 事件 ,如图 4所示。 图 4 事件顺序计数框图去磁结束和反电动势过零点是物理事件,而换相事件是通过 ST7MC 计算得出的。也就是 计算过零点事件和下一个换相之间的延迟时间。延迟事件由内部的 8位计时器通过每次反电动 势过零点(Z n 计算得出,也可以通过上次反电动势过零点(Z n-1计算得出,这可以由软件来 设定。如果速度加快,过零点事件将更早发生,延迟必须减小以使反电动势和相绕组的电流同 方向。ST7MC 电机控制外设 (MTC 总是以相同的次序处理这 3个事件:Z 事件在计算的延迟之 后产生 C 事件, 然后等待 D 事件。电机启动后, 根据检测到一定的连续 Z 事件后进入自动换相 模式。无刷直流电机在静止或低速时反电动势为零或很小,不能直接读取。读取反电动势信号前 的过程中,电流必须提供 (负载力矩 +摩擦力矩 +电机的惯性负载力矩 。故启动时, ST7MC 定时器的 PWM 占空比在启动过程中必须高于一般运行下需要的值。一定步长后,为了检测到过零点事件,需要一个特别的方法启动电机,称为同步(强制换 相 模式, 或者称为电机根据加速表加速的过程。 施加连续逐渐增加的步长时间和电流给电机, 使电机加速,并可检测到一个过零点事件。电机加速过程中检测指定数量连续的 Z 事件之后, 开始调整,使电机高效率运行,此时电机进入自动换相模式。4.系统软件设计本系统软件设计主要有主程序、电机控制外设程序、模数转换程序、启动程序、中断程序等组成。主程序流程图如图 5 所示。 电机控制外设（MTC）子程序主要包括 MTC 的初始化、MTC 寄存器的配置、控制流程、 占空比设定以及闭环速度调节等。 中断服务子程序主要包括过流事件处理、换相和去磁事件处理和过零点事件处理。过零点 服务子程序流程图如图 6 所示。 Z YES NO 1 NO YES 6 图 5 主程序流程图 5实验结果和结论 列举当前无刷直流电机的应用场合以及无刷直流电机的现有控制方案， 以及它们的优缺点， 并介绍