无刷直流电动机 - 图文

基于STM32的BLDC控制系统设计

孙李涛

（安阳师范学院 物理与电气工程学院, 河南 安阳 455002）

摘要：结合BLDC控制原理，设计了基于IR2110的BLDC驱动电路，实现对由IRF540搭建的主电路的驱动，通过安装在BLDC中的霍尔传感器反馈信号，结合STM32单片机高级定时器TIM1以及普通定时器TIM2采集的霍尔传感器状态产生六路带死区互补的PWM波,实现对BLDC电机控制，并用液晶nokia5110实时显示电机转速。

关键词：STM32；IR2110；无刷直流电机；有位置传感器；IRF540；Nokia5110

1 引言

无刷直流 （Brushless Direct Current，BLDC）电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。

根据BLDC主控制器的性能不同，其控制技术大致有以下几种。（1）根据定子绕组中线圈的互联方式不同，带有输入捕捉、中断、三相电机控制PWM定时器功能的主控制器可以通过梯形波驱动控制无刷直流电机。带有输入捕捉、中断、三相电机控制PWM定时器功能的主控制器可以通过正弦波驱动控制无刷直流电机。（2）具有输入捕捉、中断、三相电机控制的带死区PWM定时器若控制器带死区时间也可以通过简单矢量控制来控制无刷直流电机驱动信号。（3）若是高性能MCU＋MAC、高速A/D转换器、输入捕捉、中断、三相电机带控制的死区PWM定时器的控制器可以通过矢量控制（FOC）。（4）输入捕捉、高速A/D 转换器、中断、三相电机控制PWM定时器无传感器梯形波驱动控制。（5）高性能MCU＋MAC、 高速A/D转换器、中断、三相电机带控制的死区PWM定时器无传感器矢量控制。

本文正是设计开发基于STM32的有位置传感器无刷直流电机的控制系统。 2 系统方案设计 2.1方案论证

方案1：当前计算机技术的空前发展为智能控制提供了良好的工作平台，通过计算机我们可以控制高度复杂的系统，但随之而来的是高成本，高技术含量，需要匹配高技术人才。

方案2：STC51单片机具有可靠性高，配套齐全，功能完善，适用性强易学易用，抗干扰能力强，系统的设计建造工作量小，维护方便，容易改造体积小，重量轻，能耗低。但是51单片机资源太少，若想实现无刷直流电机的控制需要外接庞大的外围电路，性价比不高。

方案3：当前工业现场广泛使用的PLC可编程逻辑控制器，具有功能完善，组合灵活，扩展方便，实用性强 ，使用方便，编程简单，采用简明的梯形图，安装简单，容易维修 抗干扰能力和可靠性能力都非常强，但是它的成本非常高。

方案4：STM32单片机拥有集成了AD、高级定时器TIM1等外设，拥有高性能MCU＋MAC、高速A/D转换器、输入捕捉、中断、三相电机带控制的死区PWM定时器等诸多外设，足以完成无刷直流电机的控制。

根据系统设计要求用方案4已能基本完成对无刷直流电机的控制，并且此方案用到的芯片数量少，易于控制，维护性强。

第 1 页

2.2方案选择

本设计是基于单片机的无刷直流电机控制的系统，主要由主控制装置、驱动装置、信息通道三部分构成。主控制装置是整个系统的核心装置，主要实现无刷直流电机换相、计算无刷直流电机转速等功能，位置传感器霍尔传感器装置安装在无刷直流电机内，主要用来采集信息用于判断换相和计算无刷直流电机转速。按键模块用来修改无刷直流电机设定速度，matlab gui用显示电机转速变化趋势，nokia5110用来实时显示无刷直流电机转速。系统框图如图1所示。 Nokia5110显示STM32单片机无刷直流电机驱动RS232通信Matlab gui按键模块

图1系统框图 3 无刷直流电机系统的工作原理和控制方法 3.1 无刷直流电机的基本工作原理 3.1.1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所示。

图2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：

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。p错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。 （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。计算可以得到电压方程为公式（2）

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。p错误！未找到引用

第 2 页

源。+错误！未找到引用源。+

可以计算出电机的反电动势方程为： 错误！未找到引用源。

(2)

(3)

其中错误！未找到引用源。为电势常数, ,错误！未找到引用源。为每极的磁通量。 可以计算出电机的转矩方程为：

错误！未找到引用源。

（4）

其中错误！未找到引用源。为转矩常数，错误！未找到引用源。为电枢电流。 3.1.2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图3所示：

图3通电换相顺序图

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是二二导通模式。根

第 3 页

据上图换相时序图可知，一个周期都存在 6 种导通状态，以 60°电角度为间隔改变。 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。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。

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有位置传感器检测技术来确定换相时刻。 3.2 有位置传感器无刷直流电机的控制法

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。本系统主要采用霍尔传感器检测无刷直流电机运行状态，实现采集换相信息。 3.2.1霍尔传感器状态检测法

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4和图5所示。

第 4 页