基于STM32的直流无刷无感电机的控制系统研究 - 图文(3)

直流无刷电机控制系统设计与实现

3控制系统的工作原理和硬件设计

3.1直流无刷电机的工作原理

本设计选用的电机类型为三相星型连接。控制器产生六路PWM波控制驱动电路，位置检测用的反电势过零点技术。工作原理如图5所示。

图5 直流电机工作原理图

在图5中，当转子顺时针转到（a）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机输出信号让T1、T6 导通。这时电流从电源正极流出，经T1流往A相绕组，再由B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子转过60电角度，即到（b）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机让T1、T2导通，这时电流从电源的正极流出，经T1流往A相绕组，再由C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。同样按照这个方式，电机可以顺利的转动起来。

电机有六种磁状态，每种状态导通120度，每次由两相导通，无刷电机就是两相导通星型三相六状态的工作方式[3]。

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3.2无刷电机的反电势法位置检测原理

观察转子位置和反电势之间的关系如图6所示，转子状态由a)变为b)过程中反电势波形和转子位置之间的关系，反电势波形为B相绕组的反电势，当转子由a）初始状态转过30°电角度时，转子的磁场方向正好和B相绕组轴线重合，不切割B相绕组导线，此时B相绕组的反电势正好为零。由图可知，由b)到c)要进行换相动作，因此可利用反电势过零点确定转子的位置，进而控制电机的换相，这就是直流无刷无感电机反电势检测及控制换相的原理[4]。

图6 电机反电势位置检测图

3.3电源模块

由于STM32F103所需供电电压是3.3V，图7是把5V转换成3.3V电压的电路。

图7 STM32103的供电电源

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3.4 MCU控制模块

MCU主控电路是整个无刷直流电机控制系统的控制中心，负责控制逆变器六个桥臂的通断、采集电压、采集电流、检测直流无刷无感电机的位置（电机的反电势检测）、PID的运算、无刷直流电机启动的控制、JTAG调试下载等。STM32最小系统由STM32F103芯片、复位电路、晶振电路和JTAG接口电路组成 （1）STM32F103芯片电路如图8所示：

图8 STM32芯片

（2）复位电路和晶振电路

STM32有两个外部晶振电路和两个内部晶振电路。两个内部晶振电路需要程序配置编程即可，但外部的晶振电路需要晶振电路元器件搭建而成。如图所示的32.768K和8M的晶振电路。 晶振和复位电路如图9所示。

图9 晶振和复位电路

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（3）JTAG接口电路

JTAG接口电路实现了程序下载及程序的在线调试仿真，使用它可以方便调试程序，缩短了开发周期。由于STM32F103ZET6的JTAG输入引脚内部嵌入了上拉或下拉电阻，因而可以直接连接电路到芯片相应引脚。JTAG接口电路如图10所示。

图10 JTAG 接口电路

（4）USB接口电路

这里的USB单纯的是供电用的。如图11所示：

图11 USB接口电路

3.5 IPM功率模块

（1）MUC-IPM驱动信号接口电路

FSBB30CH60C内置HVIC，无需光耦就可以用MCU驱动IPM的六个桥臂。STM32的高级定时器TIM1功能强大，利用COM事件控制产生6路H_PWM_L_PWM的换相。这6个控制桥臂引脚要和STM32的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE15相连。驱动信号接口电路如图12所示。

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图12 MUC-IPM驱动信号接口电路

（2）短路电流保护电路

IPM具有内置短路电流保护的功能，要在芯片引脚Csc上外加一个分流电阻。IPM检测Csc管脚的电压，当电压超过模块指定的Vsc（0.5V）时，IPM产生一个故障信号IPM通过电阻R16来检测N恻电流环节的线路电流，这里设定瞬时电流保护值为30A，检测电阻R16选取阻值为10m?，功率为10W的无感电阻。R32、C40构成滤波电路。另外检测电阻R16需要并联一个小电容，作用是消除上电瞬时大电流导致的电流保护误动作。

（3）故障输出报警电路

C38为0.22uf的高频无感电容，作用是防止浪涌电流破坏，Vof是IPM故障输出报警引脚。TIM1_BKIN引脚是刹车功能引脚，和此处的Vfo引脚相连，在IPM出现故障时通过此脚输出低电平到STM32,配合TIM1刹车功能可以实现系统保护功能。所加的电容C18是用来消除噪声干扰，确保出现故障时及时报警。故障输出信号脉宽是有引脚Cfod的外接电容C24决定的，具体计算公式是t=C24/(18.3*10)，这里通常选

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