基于STM32 的无位置传感器无刷直流电机矢量控制系统

李克靖，雷志强，张继

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

传统的无刷直流电机（BLDCM）控制多采用方波驱动方案，利用位置传感器检测电机的转子位置和转速，然而运行效率较低，且在电机换相时常发生电流突变，产生较大的运行噪声[1-2]。近年来，矢量控制在无刷直流电机的控制中得到了越来越多的应用，有效地解决了电机运行时的转矩脉动问题[3-5]。然而，基于位置传感器的矢量控制在检测到转子位置的同时也增加了控制系统的成本，同时可靠性降低[6]。在风机、空调等运行环境恶劣且对成本比较敏感的场合，采用无位置传感器矢量控制已经成为一种新的趋势[7]。

目前，无位置传感器控制技术大致可分为：基于理想电机模型计算的方法、基于各种观测器模型的算法、高频注入估算方法以及人工智能估算方法[8]。其中滑模观测器具有适应性强，对电机参数及负载扰动不敏感，动静态性能好等优点。该文基于STM32 平台，采用滑模观测器对转子位置和速度进行估算，设计了控制系统，在节约成本并缩减体积的同时保证了转子电角度位置及转速检测的精度，是一种性能优异的控制方案。

1 无传感器矢量控制系统工作原理

矢量控制在一个周期内利用PWM 占空比调节控制各个电压矢量的时间，合成要得到的空间电压矢量，使之尽量与电机的d轴保持垂直，产生的空间磁场接近于圆形磁场，进而减少电机d轴方向上的能量损耗[9]。

1.1 矢量控制坐标变换

坐标变换是矢量控制中的关键，利用等幅值变换把三相静止坐标系模型转换为两相旋转坐标模型。如图1 所示，先利用Clark 变换把三相静止坐标系变换到两相静止α-β坐标系，然后利用Park 变换得到两相旋转的d-q坐标系。

图1 电机坐标系模型

对定子电流iA、iB、iC进行上述坐标变换，可得到旋转d-q坐标系下的电流分量id、iq，变换公式可综合如下：

式中，θ为A 相绕组轴线和电机d轴间的夹角。经过上述变换后，d轴与转子磁链轴线重合，为励磁轴，q轴为转矩轴，实现了对定子电流的解耦，进而可以独立地对磁通和转矩进行控制[10]。

1.2 滑模观测器估算转子位置

在BLDCM 数学模型中，假设定子感应电动势为正弦波，绕组电阻和电感值不变，同时忽略电枢反应，则α、β轴的定子电压状态方程可表示为[11]：

其中，反电动势方程如下：

式中，iα、iβ分别为α、β轴的定子电流分量，uα、uβ分别为α、β轴的绕组电压分量，R为绕组相电阻，L为绕组等效相电感，ψf为转子磁链，ωe为电角速度。

根据式（3）可知，只要得到反电动势信息就可以推算出电机的位置和转速。为此可构造如下电流观测器方程[12]：

传统算法采用符号函数作为切换函数[13]，如下所示：

式中，K为滑模增 益，Sα=-iα、Sβ=-iβ均为滑模面。

由于符号函数的不连续性，容易导致系统出现抖振现象。为了抑制系统抖振该文选用具有连续性的sigmoid 函数作为开关函数，其表达式如下：

式中，a为正实数，可通过它来调节切换速度的快慢，对系统的动态性能有较大改善。

开关函数会在估算出的反电动势信号中引入高频噪声，为了将正确的位置和速度信息提取出来，给开关输出信号增加低通滤波器，过滤掉高频噪声部分，从而得到光滑的反电动势信号如下[14]：

式中，ωc为低通滤波器的截止频率。通过对估算的反电动势信号取反正切，即可得到转子位置电角度，转速值可通过对转子角度取微分得到[15]，具体公式如下所示：

通过低通滤波器得到的反电动势会使转子位置估算产生一定的相位滞后，且相位滞后会随电机速度的增加而变大。故需要对估算的转子位置角度进行相位补偿，具体如下[16]：

估算角度加上补偿量即可得到实际转子角度。

2 系统设计与实现

2.1 系统设计方案

如图2所示，控制系统包含以下功能模块：FOC运算模块利用Clark、Park、IPark 等坐标变换得到需要施加在三相上的电压；逆变驱动模块根据芯片输出的PWM 调制信号驱动电机运行；相电流采样模块利用AD 转换采样得到实时的相电流；位置角度处理模块通过滑模状态观测器估算出转子位置及速度，并通过PLL 锁相环来减轻滑模控制过程中产生的反电动势抖振。

图2 系统功能模块框图

2.2 硬件设计

系统采用广泛应用于嵌入式工业控制领域的STM32 芯片，具体型号为STM32F103C8T6，该芯片基于Cortex-M3 内核，时钟频率达到72 MHz，有多个定时器及ADC 采样通道，满足电机控制的资源需求。

系统硬件电路的结构如图3 所示。主开关器件为MOS 管，驱动电压为15 V，芯片PWM 信号输出端利用驱动电路抬升电压，达到能够驱动MOS 管的水平；驱动电路通过分立元件设计而成，相比集成芯片驱动可靠性高、成本更低，分立元件设计分为上桥和下桥电路设计，图4给出了U相驱动电路设计原理图；电流采样利用价格低廉、采样效果良好的SD06 集成运放设计差分放大电路，如图5 所示，采样电阻有电流通过时便会产生压降，经过放大之后，输入到主控芯片，进而通过ADC采样结合放大倍数计算出电流值。

图3 系统硬件结构图

图4 MOS管驱动电路图

图5 相电流采样电路图

2.3 软件设计

图6 为控制系统软件设计流程。基础功能和主循环为前台程序，中断处理函数为后台程序。主程序完成芯片相关外设的配置、故障处理、系统状态更新及电机的起停调速控制；中断函数中完成电机控制相关功能，包括相电流采样处理、坐标变换、滑模状态观测器估算转子位置和速度，以及电流和速度PID 调节，最终生成PWM 控制信号。

图6 软件结构框图

3 实验结果及分析

系统测试平台包括矢量控制器、无刷直流电机、J-LINK 仿真器、示波器等。测试所用电机参数如下：极对数为4，额定电压为32 V，额定功率为100 W，额定转速3 000 r/min。

对电机加以适当的负载，用示波器观察三相PWM 及相电流波形，如图7 所示，通道1、2、3 为芯片输出的PWM 波形，通道4 为相电流波形，可以看出相电流为较规则的正弦波形，电流没有明显突变，可减少能量损耗从而提高电机的运行效率。

图7 相电流波形图

在无位置传感器电机控制中，电机的启动是关键难点[17-19]，该文系统采用脉冲注入的方式准确完成初始转子位置定位，进而通过开环加速切换到滑模观测器进行闭环控制，其启动加速曲线如图8 所示，可以看出启动及加速比较平稳，无倒转和明显过冲出现。

图8 控制系统启动加速曲线

4 结束语

该文针对无刷直流电机设计实现了一种基于滑模状态观测器的无位置传感器矢量控制系统，可以准确地估算出转子位置及速度进而实现矢量控制，同时采用速度电流双闭环控制，保证了系统运行的稳定性。测试结果显示，系统能够较好地实现电机的启停、调速，输出转矩平稳，采用矢量控制有效提高了系统的运行效率、降低了电机噪声，有较高的市场应用价值。