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基于STM32的有感直流無刷電機控制器

 紅色蒲公英36u4 2022-11-11 發(fā)布于江蘇

  鄒曉康,張浩然

  (浙江師范大學 數(shù)理與信息工程學院,浙江 金華321004)

       摘要:設(shè)計了基于STM32處理器的有位置傳感器的直流無刷電機控制器,采用電子換相取代傳統(tǒng)有刷電機的電刷換相,彌補了傳統(tǒng)有刷電機壽命短、發(fā)熱嚴重問題。直流電機轉(zhuǎn)子位置信息通過霍爾傳感器檢測,根據(jù)電機換相原理,控制器輸出PWM波到智能逆變器IPM驅(qū)動電機運行。移植網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LWIP對工業(yè)現(xiàn)場電機進行統(tǒng)一管理。

  關(guān)鍵詞:STM32;控制器;直流無刷電機;IPM;LWIP

0引言

  隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)的有刷電機廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個方面,但由于其本身構(gòu)造存在換相電刷導致運行時換相抖動大、電機線圈發(fā)熱嚴重的問題,長時間運行電刷本身磨損導致使不能正常使用[1]。新興的直流無刷電機在電機控制器驅(qū)動下,采用電子器件換相,從而避免了這些問題,延長了電機壽命,提供大扭矩輸出,提高電機運行穩(wěn)定性和可靠性[2],并且在控制器上嵌入以太網(wǎng)口,實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場所有電機統(tǒng)一管控。

1系統(tǒng)設(shè)計原理

  根據(jù)市場應(yīng)用廣泛的有刷電機存在電刷磨損以及電流換相噪聲大的缺陷,設(shè)計一種基于ARM的無位置傳感器的直流無刷電機(BLDC)控制器以電子換向取代了機械換相器。基于STM32的有感直流無刷電機控制器,根據(jù)電機內(nèi)嵌的三個霍爾傳感器的輸出電平判斷轉(zhuǎn)子位子信息,STM32處理器高速運行換相程序,依據(jù)轉(zhuǎn)子位子來導通或關(guān)斷逆變驅(qū)動模塊,實現(xiàn)電機線圈的通斷電,進而實現(xiàn)換相[3]。通過STM32自帶的高速AD模塊,采樣電機線圈中心電壓實現(xiàn)有電機線圈過流保護,采樣電池電壓實現(xiàn)電池檢測,采樣電位器電壓設(shè)定速度輸入。通過線圈電流參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參數(shù),實現(xiàn)電機的雙閉環(huán)控制。由于采用高速集成處理器和智能驅(qū)動模塊,集成的內(nèi)部資源豐富,既簡化了電路的復雜程度,也提到了電路的穩(wěn)定性。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

  基于STM32的有感直流無刷電機控制器的原理圖如圖1所示。其中控制器采用STM32F407,收發(fā)隔離模塊1采用金升陽的DP83848,主要實現(xiàn)能量檢測和隔離高電壓功能,通過標準以太網(wǎng)接口連接于控制器內(nèi)嵌的MAC控制器3,實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。霍爾輸入端子9為電機霍爾傳感器輸入接口,連接于電壓匹配電路10,使霍爾輸入電平匹配控制器電平,電平匹配后輸入到控制器輸入捕獲端口??刂破鞑东@霍爾傳感器的位置信息并且得到電機轉(zhuǎn)速,高速運行換相程序,輸出PWM4驅(qū)動逆變電路5的功率管通斷實現(xiàn)電機6換相。設(shè)定速度12即電位器電平,實現(xiàn)外部對目標轉(zhuǎn)速的設(shè)定,連接于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14。電源分壓電路8對電源分壓后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換14,實現(xiàn)電源電壓的監(jiān)測。電機6中線電壓連接于放大電路7,實現(xiàn)對電機的過流保護。嵌入式控制器13高速運行換相程序、以太網(wǎng)協(xié)議、速度電流雙閉環(huán)PID控制程序,分別實現(xiàn)電機換相正常運行、網(wǎng)絡(luò)通信的統(tǒng)一管理以及電機轉(zhuǎn)速控制?! ?/p>

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  基于STM32的有感直流無刷電機控制器最主要的硬件電路為逆變驅(qū)動電路,傳統(tǒng)的驅(qū)動電路一般采用驅(qū)動芯片和IGBT管結(jié)合的驅(qū)動橋電路,而本設(shè)計采用智能驅(qū)動模塊FSBB30CH60F,可耐600 V高壓和30 A大電流,內(nèi)部集成智能驅(qū)動芯片和功率管,集成度高,大大簡化了驅(qū)動電路的復雜性,提高了驅(qū)動電路的可靠性和安全性。驅(qū)動電路如圖2所示。

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  智能驅(qū)動模塊內(nèi)部集成了4個驅(qū)動芯片和6個功率管,其中3個驅(qū)動芯片分別驅(qū)動3個上半橋功率管,1個驅(qū)動芯片驅(qū)動3個下半橋功率管。三相電機輸入驅(qū)動線為U、V、W,UPWMH、VPWMH、WPWMH為U、V、W三相上半橋功率管驅(qū)動信號;UPWML、VPWML、WPWML為U、V、W三相下半橋功率驅(qū)動信號,連接于控制器;4個驅(qū)動芯片采用外部接15 V電壓自舉即電路圖中的VBU、VBV、VBW,VSU、VSV、VSW為自舉電壓的地,Vcc_15 V是各個驅(qū)動芯片的工作電壓,Vin+為電機的驅(qū)動電壓,連接于驅(qū)動橋上的橋臂功率管上。IC為三相電流,輸入到運放電路中放大,放大輸出至控制器模數(shù)采樣。

  設(shè)計中鏈路層采用主控芯片STM32F407內(nèi)部自帶的媒體訪問控制器MAC實現(xiàn), MAC與物理層芯片通過RMII或MII接口通信,物理層采用DP83848實現(xiàn),該芯片有如下特點:快速以太網(wǎng)控制器,符合IEEE 802.3標準的;集成極性檢測和校正10/100Base-T端口自匹配物理層PHY;支持暫??刂茙?,包括自動發(fā)送和接收流控制;可編程填充數(shù)據(jù)和CRC校驗生成;支持半雙工和全雙工數(shù)據(jù)收發(fā)的工作模式;內(nèi)部集成高性能的DMA,24 KB的數(shù)據(jù)包緩沖SRAM用于發(fā)送和接收。DP83848接口如圖3所示。

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  為了有效地保護DP83848芯片和系統(tǒng)的安全,在輸出端,通過變壓器隔離方式對以太網(wǎng)模塊HR911105A進行隔離保護,輸入、輸出差分線通過50 nF電容進行濾波處理,屏蔽高頻信號的干擾,震蕩電路采用集成的50 MHz有源晶振,保證輸出的時鐘信號飽滿、圓滑、穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)隔離模塊如圖4所示。

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  軟件設(shè)計包括換相程序、控制算法、TCP/IP通信協(xié)議。換相程序是電機正常運轉(zhuǎn)的保障??刂扑惴ㄖ饕獙崿F(xiàn)電機變速的調(diào)控、電機的啟動,以及當外界設(shè)定速度與實時速度有差距時調(diào)節(jié)PWM輸出占空比。TCP/IP協(xié)議主要圖5程序框圖是實現(xiàn)通信,將電機線圈電流、轉(zhuǎn)速等信息通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。程序框圖如圖5所示。

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  本設(shè)計采用兩兩導通方式,即任一時刻只有兩相繞組導通,另一相繞組關(guān)閉。換相程序根據(jù)霍爾信號反饋的轉(zhuǎn)子位子信息結(jié)合旋轉(zhuǎn)方向和電機結(jié)構(gòu),制作出導通表,本設(shè)計采用上橋臂PWM波調(diào)制下橋臂恒通模式驅(qū)動[4],TIM3配置成為輸入捕獲模式,當霍爾信號變化時,觸發(fā)定時器捕獲中斷服務(wù)程序,調(diào)用換相算法。

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  控制算法主要是實現(xiàn)電機調(diào)速,通過調(diào)節(jié)定時器輸出的PWM占空比,使實時速度達到預設(shè)的目標速度。占空比越高,即導通時間越長,電機加速越快。本設(shè)計的控制算法采用電流-速度雙閉環(huán)PID控制[5],驅(qū)動PWM載頻為20 kHz,占空比在20%~80%可調(diào)。速度通過捕獲霍爾傳感器變化得到,把速度環(huán)PID控制的輸出作為電流環(huán)的輸入,電流檢測是檢測線圈中心電流,速度環(huán)的輸出和中心電流作為電流環(huán)PID控制的輸入,最后決定PWM占空比控制電機運行。速度電流雙閉環(huán)控制原理圖如圖6所示。

  移植LWIP協(xié)議棧實現(xiàn)控制板的網(wǎng)絡(luò)通信,調(diào)用tcp_receive()函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收,調(diào)用tcp_write()函數(shù)進行數(shù)據(jù)發(fā)送,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時、穩(wěn)定、高效、可靠地傳輸。

4系統(tǒng)測試

  電機驅(qū)動電壓為24 V,控制器系統(tǒng)板供電15 V。驅(qū)動調(diào)制采用上橋臂調(diào)制下橋臂恒通方式,根據(jù)轉(zhuǎn)子位子信息以及換相程序輸出PWM波至逆變器上橋臂。根據(jù)換相程序間斷性導通或關(guān)閉,導通時占空比在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

  為了測試控制器性能以及算法的優(yōu)越性,從帶負載情況、相電流、電機轉(zhuǎn)速、設(shè)定目標速度實現(xiàn)時間等方面來測試。測試結(jié)果如表1所示。

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5結(jié)論

  通過對該控制器進行整體測試可知,該系統(tǒng)集成度高,穩(wěn)定性好,體積小巧,控制芯片STM32F407內(nèi)部集成豐富的片上資源,使得系統(tǒng)可以采用內(nèi)部專用的高級定時器來控制電機,采用內(nèi)部普通定時器來捕獲霍爾傳感器觸發(fā)換相程序,從而達到對電機的實時精準控制。輸入驅(qū)動PWM在20%~80%范圍內(nèi)可調(diào),設(shè)定速度通過外接電位器輸入后,電機能夠較好地完成速度變化調(diào)控,并且可以通過輕量型以太網(wǎng)協(xié)議LWIP將電機設(shè)定速度、轉(zhuǎn)速、相電流等情況上傳至上位機。

  參考文獻

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