鄒曉康，張浩然
（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華321004）
摘要：設(shè)計(jì)了基于STM32處理器的有位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制器，采用電子換相取代傳統(tǒng)有刷電機(jī)的電刷換相，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有刷電機(jī)壽命短、發(fā)熱嚴(yán)重問題。直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息通過霍爾傳感器檢測，根據(jù)電機(jī)換相原理，控制器輸出PWM波到智能逆變器IPM驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。移植網(wǎng)絡(luò)協(xié)議LWIP對工業(yè)現(xiàn)場電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。
關(guān)鍵詞：STM32;控制器;直流無刷電機(jī);IPM;LWIP
0引言
隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的有刷電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個方面，但由于其本身構(gòu)造存在換相電刷導(dǎo)致運(yùn)行時換相抖動大、電機(jī)線圈發(fā)熱嚴(yán)重的問題，長時間運(yùn)行電刷本身磨損導(dǎo)致使不能正常使用［1］。新興的直流無刷電機(jī)在電機(jī)控制器驅(qū)動下，采用電子器件換相，從而避免了這些問題，延長了電機(jī)壽命，提供大扭矩輸出，提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性［2］，并且在控制器上嵌入以太網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場所有電機(jī)統(tǒng)一管控。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
根據(jù)市場應(yīng)用廣泛的有刷電機(jī)存在電刷磨損以及電流換相噪聲大的缺陷，設(shè)計(jì)一種基于ARM的無位置傳感器的直流無刷電機(jī)（BLDC）控制器以電子換向取代了機(jī)械換相器。基于STM32的有感直流無刷電機(jī)控制器，根據(jù)電機(jī)內(nèi)嵌的三個霍爾傳感器的輸出電平判斷轉(zhuǎn)子位子信息，STM32處理器高速運(yùn)行換相程序，依據(jù)轉(zhuǎn)子位子來導(dǎo)通或關(guān)斷逆變驅(qū)動模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)線圈的通斷電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換相［3］。通過STM32自帶的高速AD模塊，采樣電機(jī)線圈中心電壓實(shí)現(xiàn)有電機(jī)線圈過流保護(hù)，采樣電池電壓實(shí)現(xiàn)電池檢測，采樣電位器電壓設(shè)定速度輸入。通過線圈電流參數(shù)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)控制。由于采用高速集成處理器和智能驅(qū)動模塊，集成的內(nèi)部資源豐富，既簡化了電路的復(fù)雜程度，也提到了電路的穩(wěn)定性。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于STM32的有感直流無刷電機(jī)控制器的原理圖如圖1所示。其中控制器采用STM32F407，收發(fā)隔離模塊1采用金升陽的DP83848，主要實(shí)現(xiàn)能量檢測和隔離高電壓功能，通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口連接于控制器內(nèi)嵌的MAC控制器3，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。霍爾輸入端子9為電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速，高速運(yùn)行換相程序，輸出PWM4驅(qū)動逆變電路5的功率管通斷實(shí)現(xiàn)電機(jī)6換相。設(shè)定速度12即電位器電平，實(shí)現(xiàn)外部對目標(biāo)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，連接于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊14。電源分壓電路8對電源分壓后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換14，實(shí)現(xiàn)電源電壓的監(jiān)測。電機(jī)6中線電壓連接于放大電路7，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的過流保護(hù)。嵌入式控制器13高速運(yùn)行換相程序、以太網(wǎng)協(xié)議、速度電流雙閉環(huán)PID控制程序，分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相正常運(yùn)行、網(wǎng)絡(luò)通信的統(tǒng)一管理以及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。
基于STM32的有感直流無刷電機(jī)控制器最主要的硬件電路為逆變驅(qū)動電路，傳統(tǒng)的驅(qū)動電路一般采用驅(qū)動芯片和IGBT管結(jié)合的驅(qū)動橋電路，而本設(shè)計(jì)采用智能驅(qū)動模塊FSBB30CH60F，可耐600 V高壓和30 A大電流，內(nèi)部集成智能驅(qū)動芯片和功率管，集成度高，大大簡化了驅(qū)動電路的復(fù)雜性，提高了驅(qū)動電路的可靠性和安全性。驅(qū)動電路如圖2所示。
智能驅(qū)動模塊內(nèi)部集成了4個驅(qū)動芯片和6個功率管，其中3個驅(qū)動芯片分別驅(qū)動3個上半橋功率管，1個驅(qū)動芯片驅(qū)動3個下半橋功率管。三相電機(jī)輸入驅(qū)動線為U、V、W，UPWMH、VPWMH、WPWMH為U、V、W三相上半橋功率管驅(qū)動信號；UPWML、VPWML、WPWML為U、V、W三相下半橋功率驅(qū)動信號，連接于控制器；4個驅(qū)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(qū)動芯片的工作電壓，Vin+為電機(jī)的驅(qū)動電壓，連接于驅(qū)動橋上的橋臂功率管上。IC為三相電流，輸入到運(yùn)放電路中放大，放大輸出至控制器模數(shù)采樣。
設(shè)計(jì)中鏈路層采用主控芯片STM32F407內(nèi)部自帶的媒體訪問控制器MAC實(shí)現(xiàn)， MAC與物理層芯片通過RMII或MII接口通信，物理層采用DP83848實(shí)現(xiàn)，該芯片有如下特點(diǎn)：快速以太網(wǎng)控制器，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)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(fā)送和接收流控制；可編程填充數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)生成；支持半雙工和全雙工數(shù)據(jù)收發(fā)的工作模式；內(nèi)部集成高性能的DMA，24 KB的數(shù)據(jù)包緩沖SRAM用于發(fā)送和接收。DP83848接口如圖3所示。
為了有效地保護(hù)DP83848芯片和系統(tǒng)的安全，在輸出端，通過變壓器隔離方式對以太網(wǎng)模塊HR911105A進(jìn)行隔離保護(hù)，輸入、輸出差分線通過50 nF電容進(jìn)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(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)隔離模塊如圖4所示。
軟件設(shè)計(jì)包括換相程序、控制算法、TCP/IP通信協(xié)議。換相程序是電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的保障。控制算法主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速的調(diào)控、電機(jī)的啟動，以及當(dāng)外界設(shè)定速度與實(shí)時速度有差距時調(diào)節(jié)PWM輸出占空比。TCP/IP協(xié)議主要圖5程序框圖是實(shí)現(xiàn)通信，將電機(jī)線圈電流、轉(zhuǎn)速等信息通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。程序框圖如圖5所示。
本設(shè)計(jì)采用兩兩導(dǎo)通方式，即任一時刻只有兩相繞組導(dǎo)通，另一相繞組關(guān)閉。換相程序根據(jù)霍爾信號反饋的轉(zhuǎn)子位子信息結(jié)合旋轉(zhuǎn)方向和電機(jī)結(jié)構(gòu)，制作出導(dǎo)通表，本設(shè)計(jì)采用上橋臂PWM波調(diào)制下橋臂恒通模式驅(qū)動［4］，TIM3配置成為輸入捕獲模式，當(dāng)霍爾信號變化時，觸發(fā)定時器捕獲中斷服務(wù)程序，調(diào)用換相算法。
控制算法主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，通過調(diào)節(jié)定時器輸出的PWM占空比，使實(shí)時速度達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)速度。占空比越高，即導(dǎo)通時間越長，電機(jī)加速越快。本設(shè)計(jì)的控制算法采用電流－速度雙閉環(huán)PID控制［5］，驅(qū)動PWM載頻為20 kHz，占空比在20%~80%可調(diào)。速度通過捕獲霍爾傳感器變化得到，把速度環(huán)PID控制的輸出作為電流環(huán)的輸入，電流檢測是檢測線圈中心電流，速度環(huán)的輸出和中心電流作為電流環(huán)PID控制的輸入，最后決定PWM占空比控制電機(jī)運(yùn)行。速度電流雙閉環(huán)控制原理圖如圖6所示。
移植LWIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)控制板的網(wǎng)絡(luò)通信，調(diào)用tcp_receive()函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，調(diào)用tcp_write()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時、穩(wěn)定、高效、可靠地傳輸。
4系統(tǒng)測試
電機(jī)驅(qū)動電壓為24 V，控制器系統(tǒng)板供電15 V。驅(qū)動調(diào)制采用上橋臂調(diào)制下橋臂恒通方式，根據(jù)轉(zhuǎn)子位子信息以及換相程序輸出PWM波至逆變器上橋臂。根據(jù)換相程序間斷性導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)通時占空比在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
為了測試控制器性能以及算法的優(yōu)越性，從帶負(fù)載情況、相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、設(shè)定目標(biāo)速度實(shí)現(xiàn)時間等方面來測試。測試結(jié)果如表1所示。
5結(jié)論
通過對該控制器進(jìn)行整體測試可知，該系統(tǒng)集成度高，穩(wěn)定性好，體積小巧，控制芯片STM32F407內(nèi)部集成豐富的片上資源，使得系統(tǒng)可以采用內(nèi)部專用的高級定時器來控制電機(jī)，采用內(nèi)部普通定時器來捕獲霍爾傳感器觸發(fā)換相程序，從而達(dá)到對電機(jī)的實(shí)時精準(zhǔn)控制。輸入驅(qū)動PWM在20%~80%范圍內(nèi)可調(diào)，設(shè)定速度通過外接電位器輸入后，電機(jī)能夠較好地完成速度變化調(diào)控，并且可以通過輕量型以太網(wǎng)協(xié)議LWIP將電機(jī)設(shè)定速度、轉(zhuǎn)速、相電流等情況上傳至上位機(jī)。
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