鄒曉康，張浩然
（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華321004）
摘要：設計了基于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有刷電機的電刷換相，彌補了傳統有刷電機壽命短、發熱嚴重問題。直流電機轉子位置信息通過霍爾傳感器檢測，根據電機換相原理，控制器輸出PWM波到智能逆變器IPM驅動電機運行。移植網絡協議LWIP對工業現場電機進行統一管理。
關鍵詞：STM32;控制器;直流無刷電機;IPM;LWIP
0引言
隨著現代機械工業的發展，傳統的有刷電機廣泛應用于工業控制的各個方面，但由于其本身構造存在換相電刷導致運行時換相抖動大、電機線圈發熱嚴重的問題，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，提高電機運行穩定性和可靠性［2］，并且在控制器上嵌入以太網口，實現工業現場所有電機統一管控。
1系統設計原理
根據市場應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，根據電機內嵌的三個霍爾傳感器的輸出電平判斷轉子位子信息，STM32處理器高速運行換相程序，依據轉子位子來導通或關斷逆變驅動模塊，實現電機線圈的通斷電，進而實現換相［3］。通過STM32自帶的高速AD模塊，采樣電機線圈中心電壓實現有電機線圈過流保護，采樣電池電壓實現電池檢測，采樣電位器電壓設定速度輸入。通過線圈電流參數和轉子轉速參數，實現電機的雙閉環控制。由于采用高速集成處理器和智能驅動模塊，集成的內部資源豐富，既簡化了電路的復雜程度，也提到了電路的穩定性。
2系統硬件設計
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，收發隔離模塊1采用金升陽的DP83848，主要實現能量檢測和隔離高電壓功能，通過標準以太網接口連接于控制器內嵌的MAC控制器3，實現以太網通信。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。控制器捕獲霍爾傳感器的位置信息并且得到電機轉速，高速運行換相程序，輸出PWM4驅動逆變電路5的功率管通斷實現電機6換相。設定速度12即電位器電平，實現外部對目標轉速的設定，連接于模數轉換模塊14。電源分壓電路8對電源分壓后輸入到模數轉換14，實現電源電壓的監測。電機6中線電壓連接于放大電路7，實現對電機的過流保護。嵌入式控制器13高速運行換相程序、以太網協議、速度電流雙閉環PID控制程序，分別實現電機換相正常運行、網絡通信的統一管理以及電機轉速控制。
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動電路，傳統的驅動電路一般采用驅動芯片和IGBT管結合的驅動橋電路，而本設計采用智能驅動模塊FSBB30CH60F，可耐600 V高壓和30 A大電流，內部集成智能驅動芯片和功率管，集成度高，大大簡化了驅動電路的復雜性，提高了驅動電路的可靠性和安全性。驅動電路如圖2所示。
智能驅動模塊內部集成了4個驅動芯片和6個功率管，其中3個驅動芯片分別驅動3個上半橋功率管，1個驅動芯片驅動3個下半橋功率管。三相電機輸入驅動線為U、V、W，UPWMH、VPWMH、WPWMH為U、V、W三相上半橋功率管驅動信號；UPWML、VPWML、WPWML為U、V、W三相下半橋功率驅動信號，連接于控制器；4個驅動芯片采用外部接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是各個驅動芯片的工作電壓，Vin+為電機的驅動電壓，連接于驅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采樣。
設計中鏈路層采用主控芯片STM32F407內部自帶的媒體訪問控制器MAC實現， MAC與物理層芯片通過RMII或MII接口通信，物理層采用DP83848實現，該芯片有如下特點：快速以太網控制器，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；支持暫停控制幀，包括自動發送和接收流控制；可編程填充數據和CRC校驗生成；支持半雙工和全雙工數據收發的工作模式；內部集成高性能的DMA，24 KB的數據包緩沖SRAM用于發送和接收。DP83848接口如圖3所示。
為了有效地保護DP83848芯片和系統的安全，在輸出端，通過變壓器隔離方式對以太網模塊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、穩定。網絡隔離模塊如圖4所示。
軟件設計包括換相程序、控制算法、TCP/IP通信協議。換相程序是電機正常運轉的保障。控制算法主要實現電機變速的調控、電機的啟動，以及當外界設定速度與實時速度有差距時調節PWM輸出占空比。TCP/IP協議主要圖5程序框圖是實現通信，將電機線圈電流、轉速等信息通過以太網發送出去。程序框圖如圖5所示。
本設計采用兩兩導通方式，即任一時刻只有兩相繞組導通，另一相繞組關閉。換相程序根據霍爾信號反饋的轉子位子信息結合旋轉方向和電機結構，制作出導通表，本設計采用上橋臂PWM波調制下橋臂恒通模式驅動［4］，TIM3配置成為輸入捕獲模式，當霍爾信號變化時，觸發定時器捕獲中斷服務程序，調用換相算法。
控制算法主要是實現電機調速，通過調節定時器輸出的PWM占空比，使實時速度達到預設的目標速度。占空比越高，即導通時間越長，電機加速越快。本設計的控制算法采用電流－速度雙閉環PID控制［5］，驅動PWM載頻為20 kHz，占空比在20%~80%可調。速度通過捕獲霍爾傳感器變化得到，把速度環PID控制的輸出作為電流環的輸入，電流檢測是檢測線圈中心電流，速度環的輸出和中心電流作為電流環PID控制的輸入，最后決定PWM占空比控制電機運行。速度電流雙閉環控制原理圖如圖6所示。
移植LWIP協議棧實現控制板的網絡通信，調用tcp_receive()函數實現數據接收，調用tcp_write()函數進行數據發送，可以實現數據實時、穩定、高效、可靠地傳輸。
4系統測試
電機驅動電壓為24 V，控制器系統板供電15 V。驅動調制采用上橋臂調制下橋臂恒通方式，根據轉子位子信息以及換相程序輸出PWM波至逆變器上橋臂。根據換相程序間斷性導通或關閉，導通時占空比在一定范圍內可調。
為了測試控制器性能以及算法的優越性，從帶負載情況、相電流、電機轉速、設定目標速度實現時間等方面來測試。測試結果如表1所示。
5結論
通過對該控制器進行整體測試可知，該系統集成度高，穩定性好，體積小巧，控制芯片STM32F407內部集成豐富的片上資源，使得系統可以采用內部專用的高級定時器來控制電機，采用內部普通定時器來捕獲霍爾傳感器觸發換相程序，從而達到對電機的實時精準控制。輸入驅動PWM在20%~80%范圍內可調，設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控，并且可以通過輕量型以太網協議LWIP將電機設定速度、轉速、相電流等情況上傳至上位機。
參考文獻
［1］ 胡波,徐國卿,康勁松.無刷直流電機無位置傳感器控制技術［J］.電機與控制應用, 2007,34(5):2123.
［2］ 周波,魏佳,穆新華,等.反電勢邏輯電平積分比較法實現的無刷直流電機無位置傳感器控制［J］.電工技術學報, 2000,15(4):5 9.
［3］ 楊慶保.純電動汽車整車控制器研究［D］.北京：北京交通大學,2010.
［4］ 韋錕.永磁無刷直流電機電磁轉矩脈動抑制技術的研究［D］.杭州：浙江大學,2005.
［5］ 張相軍,陳伯時.無刷直流電機控制系統中PWM調制方式對換相轉矩脈動的影響［J］.電機與控制學報,2003,7(2):8791.