无刷直流电机驱动系统设计研究

金浩然 孙祥娥

摘要：作为机电一体化电机产品，无刷直流电机具有较好的可控性和宽调速范围，应用极其广泛，根据其控制系统的特点，分析和讨论了无刷直流电机的控制系统，设计并实现了基于STM32F103ZET6控制器的无刷直流电机控制系统。运用该芯片的GPIO模块、PWM模块和定时器模块等，并加入高效的PID算法，实现了无刷直流电机的启动停止控制、位置检测和闭环调速三大主要功能。实验结果证明，此控制系统成本较低廉，运行效果良好，性价比较高。

关键词：无刷直流电机；STM32F103ZET6；控制系统；PID算法

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）09-0239-03

1 概述

随着电子技术的发展，新型机电一体化电机即无刷直流电机出现了，它是现代电机技术、电子技术和控制理论相结合的产物。由于市场需要的增长，无刷直流电机广泛应用于自动化装置，航空航天，汽车，电子消费，医疗设备，办公自动化及日常生活等各领域。无刷直流电机（即BLDCM）可想象成一个定转子倒置的直流电动机，其中永久磁性在转子上，而绕线在定子上。相对于有刷直流电机，该电机没有电刷和换向器的火花、磨损问题，不需要经常维护。具有高转速、高效率、高可靠性、能耗低、噪音低、寿命超长、可伺服控制、简单易用和较低成本的特点。这些优点使得它得到迅速的发展和普及，现在已经成为最具有发展前途的电机产品[1]。

按照无刷直流電机的工作原理，电子开关的换相取决于转子磁极位置信号，目前主要有两类技术能够得到转子位置信号。第一类技术是采用无位置传感器的控制技术，其核心内容是通过间接的转子位置信号的检测，代替直接用转子位置传感器获取转子位置磁极信号。事实上，无位置传感器控制技术是从软件和硬件控制两方面着手，增加了控制的复杂性而降低电机结构复杂性。位置检测方法及电路主要包括：反电动势过零点法，反电动势比较法、3次谐波反电动势检测法、反电动势积分检测法，续流二极管法等等[1]。

反电动势积分检测法是比较门限值和悬空相反电动势的积分量，某相绕组的换相时刻是当积分量与门限值相等的时候，这种方法的优点：在控制过程中不需要获取转速信息，只需要调节门限值的大小来实现无刷电机的滞后换相或超前，对开关信号也不是很敏感；但是也存在缺点，就是有积分累计误差和门限值设置问题[2-4]。反电动势3次谐波检测法通过反电势的3次谐波来决定电机的换相时刻，优点是相位延迟较小，转速适用范围较大；但是因为低速噪音信号的不断积累，往往会造成换相不准确，使得在积分过程中产生了误差[5-6]。

第二类技术是通过安装位置传感器获取转子信号，比如霍尔元件，该技术被广泛采用。利用三个霍尔器件（圆周空间配置有两个方案：相互间隔60度或间隔120度），转子每旋转60度（120度）电度角，则某个霍尔器件改变其状态，那么与之相对应的逆变器内的某一相的开关状态随着更新变化一次，如此开关状态变化六次（或称六步）就完成了一个电气周转，霍尔器件输出响应的“0”和“1”两种状态的方波，从而判断转子绕组的位置[7-8]。霍尔传感器具有尺寸小、质量轻、制造成本低、方便大规模生产等多个优点，符合本设计的设计需求，本系统中采用霍尔传感器来测量转子的位置信息[9]。

在控制算法方面， BLDCM（无刷直流电机）一般采用PID算法控制[10]，这种控制是早先发展起来的一种控制策略，具有诸多优点如算法成熟简单、可靠性高、稳定性好等，因此被广泛应用于控制系统中，据统计，工业控制方面的控制器中有多达90%的PID类型的控制器。

2 系统设计

无刷直流电机（BLDCM）由三相定子和转子组成，定子绕组感应磁场与转子磁场相互作用产生力矩使电机转动。控制无刷电机转动，必须知道转子的当前位置，本文控制系统中采用霍尔传感器来测量转子的位置信息，由3个霍尔元件产生的电平的时序来判断此刻的转子位置，并对相应的定子绕组进行通电。每一次换相都会有一组绕组处于正向通电，第二组绕组反向通电，另外一组不通电，由此驱动电机转动[1][7]。

2.1 系统硬件实现

2.1.1 器件选择

系统以STM32F103ZET6（以下简称STM32）为主控芯片，STM32具有丰富的PWM通道、高级定时器和AD转换通道，适合用于电机控制的设计。在实际使用过程中，若要使用某模块功能，只要配置好相应的模块寄存器就行，并不需要编写复杂的相应程序，如此就可以使用主要精力提高硬件电路性能，遇到运行过程中出现的问题，可以进行方便及时的调试和维护[11-14]。另外，该芯片外部引脚丰富，本系统只使用了少量引脚，其他部分可留做更多扩展功能的开发应用。

2.1.2 硬件功能设计

本控制系统由电源部分，驱动电路，STM32微控制器，位置、速度检测，计算机串口通信等组成。STM32可以处理采集收回的电流和位置信号等各种数据，实现BLDCM的控制算法，以及输出无刷电机旋转所需要的脉冲信号，主控芯片STM32则根据给定的指令生成相应的PWM脉冲信号，以此控制驱动系统的开关时间，使无刷直流电机的转速达到预期值。

（1）驱动电路

驱动部分选用芯片A4931，它是一款完善的三相无刷直流电机的前置驱动器，该设备可驱动多种N沟道的功率场效应晶体管（MOSFET）。支持的马达供电电压高达30V。换相逻辑由相隔120度三个霍尔元件的输入信号决定。还带有三路霍尔元件输入用于控制触发逻辑，并且具备转子锁定保护功能。A4931输出电流的大小取决于外部MOSFET的容量。转子锁定保护检测延时由连至CLD引脚的外部电容来设置。ENABLE，DIRECTION，BRAKE输入可用于控制电机的转速，位置与转矩。提供两种电流控制方式，即可采用外部信号，通过ENABLE输入脚对MOSFET进行PWM控制，也可利用芯片内建的PWM电流调节器实现。由于A4931具备同步整流特性，无论采用哪种电流控制方式，都能确保在电流衰减时开通适当的MOSFET，避免无谓的功率损耗。下面简单介绍几个主要控制引脚的功能及用法。

使能输入端（ENB）：允许接外部PWM信号，ENB为高电平关闭合适的驱动，负载电流开始衰减。如果ENB保持低电平，电流会持续增加，直到达到内部电流控制电路设置的水平。典型的PWM频率在20KHz到30KHz之间，调节占空比可控制速度。可利用主控芯片STM32的定时器TIM产生PWM信号控制电机运行，调整PWM信号的占空比就可以改变无刷电机的转速。

刹车模式（BREAK）：逻辑低电平加到BREAK引脚上激活刹车模式，而逻辑高电平允许正常工作。

方向信号（DIR）：通过高低电平控制马达方向。

具有可驱动6个N沟道的功率MOSFET，对低功率耗散同步整流，内部欠压锁定（UVLO）和过热关机电路，霍尔元件输入，PWM电流限制，停机时间保护，FG输出，待机模式，锁定检测保护等功能和特点。

场效应管采用双N沟道逻辑电平的FDS8949，具有高功率和电流处理能力，与驱动芯片A4931一起组成了无刷直流电机的驱动部分，如图1 所示。

（2）位置、速度检测电路

正交编码器，又名增量式编码器或光电式编码器，可以对多种电机实现闭环控制，用于检测运动系统的位置和速度。它是直接利用光电转换原理每转过单位角度就输出一个脉冲信号，通常为A、B和Z相输出。A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲信号，根据延迟关系可以区别正反转，即如果A相超前B相，那么电机的旋转方向就是正向的。如果A相落后B相，那么电机的旋转方向就是反向的，Z相称为索引脉冲，每转一圈产生一个脉冲，作为基准用来确定绝对位置。

在本设计中，将霍尔传感器的三个引脚与STM32F103ZET6芯片的外部引脚相连，充分利用该芯片的外部中断功能，将其设置为外部中断捕获模式。

系统中使用的是1024线正交编码器，通过单片机IO口对正交编码器输出脉冲波形进行双边沿检测，通过定时器累计一定时间内的脉冲数，可计算出当前速度，使得转速检测精度大大提高，转速误差大大降低。

（3）速度PID调节

PID控制算法是控制理论中最成熟的一种控制算法，也是生产过程中最普遍采用的控制方法，在机械、机电、化工等行业中得到了广泛的应用。绕组内电流的大小决定着电机的转速，通过控制芯片输出可调的PWM信号控制开关管通断，改变绕组电流达到调速的目的。相对于位置式PID算法，增量式PID算法不需要累加误差，能达到比较好的控制效果，机器出现问题时影响范围较小，不会严重影响生产过程，满足无刷直流电机的要求，所以本系统选择增量式PID控制算法[15]。

2.2系统软件实现

系统程序主要由硬件初始化，位置检测，换相，速度检测，速度PID调节等组成。硬件初始化主要是初始化要用到的GPIO端口，中断控制，PWM模块，定时器TIM等。位置检测主要是通过单片机IO口检测编码器输出脉冲信号来确定转子的位置信息，只要设定需要的圈数和转速，通过串口通信，就能够控制电机在预定转速下完成预定的圈数后自动停下来。换相是经过检测单片机IO口霍尔电平状态来计算转子位置，并根据当前转子的位置信息改变电流流向。同时间隔一段时间读取预定的转速，并转换成相应占空比的PWM信号对无刷电机进行调速控制，保证系统良好的静态特性和动态特性，为了满足实时性控制要求，程序大部分在中断中调用。

闭环调速过程即速度PID调节，进入闭环调速过程后，先要计算实际转速，在进行过流检测，判断当前电流是否超过设定的故障电流，若电流超过设定的故障电流，就需要减小PWM输出达到减小电流的目的，再比较当前速度和给定速度实现速度闭环调节，当速度达到指定速度且不过流时退出闭环调节过程。

3 结论

实验结果表明，本文中控制系统能够实现对无刷直流电机的相关控制，结合精确的PID算法，能够很好地控制电机的转速，且运行稳定。通过串口通信，使得该系统具有良好的启动停止、换相、调速特性，无刷直流电机运行稳定可靠。使用STM32设计无刷直流电机的驱动控制系统，系统程序精简，硬件设计结构简单，成本较低，系统可靠性高，有较高实用性，可推广使用。

经过长时间的实践证明，本系统相关器件的设计是合理的。最终结论：系统方案具有可行性、实用性，且安全可靠。

参考文献：

[1] 譚建成.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社，2011.

[2] 周武，普清明，尚重阳.无刷直流电动机的反电动势积分法位置检测技术研究[J].工矿自动化，2009（8）：63-65.

[3] 李声晋，马晖，卢刚，等.基于反电势积分补偿法的无刷直流电动机控制[J].微特电机，2008，06：37-39.

[4] 赵伟.基于STM32的无刷直流电机控制系统设计[D].南京信息工程大学，2016.