基于STM32的無刷直流電機驅動器設計

摘 要：利用主控制器STM32所具有的優勢，設計無位置傳感器無刷直流電機為控制對象的驅動器，包括功率驅動電路、三相逆變電路、反電動勢檢測電路和電流與電壓監測電路。該驅動器設計成本較低，具有一定的應用價值。

關鍵詞：STM32；無位置傳感器；無刷直流電機

1 概述

與8位單片機有限指令和性能相比，32位STM32處理器的工作頻率達到72MHZ，處理能力達到1.25DMIPS，能實現高端運算能力；與32位DSP高成本和高功效相比，32位STM32處理器具有出眾的功耗控制和明顯價格優勢，同時其內部高度集成，具有創新而豐富的外設，更加利于控制系統的開發。同時STM32中的STM32F103增強型系列具有專門為實現電機控制的高級定時器，以及轉換速度為1MHZ、精度為12位的ADC[1]。

無刷直流電機既具有直流電機調速性能良好、運行效率較高等的特征，又具有交流電機構造簡單、故障率低等的特點，具備兩者優勢，具有廣闊應用前景。無刷直流電機分為有位置傳感器和無位置傳感器兩種，兩者相比，后者具有許多優勢：縮小了無刷電機的體積和成本；增強了抗干擾能力，擴大在高溫、高腐蝕性等特殊場合的使用范圍；提高了系統可靠性，降低電機的維護工作量[2]。本設計以無位置傳感器無刷直流電機為控制對象。

2 硬件設計

2.1 硬件總體結構

利用STM32較強控制性能及豐富外設，使硬件設計較為簡單，所占空間較小，進一步降低成本，圖1所示為驅動器硬件框圖，以STM32為控制核心，包括電源電路、功率驅動電路、三相逆變電路、反電動勢檢測電路、電流監測電路、電壓監測電路和串口通信電路。

在設計中選用STM32F103型號，其I/O口分配為：PA8端口 （TIM1_CH1）、PA9（TIM1_CH2）端口和PA10（TIM1_CH3）端口分別與功率驅動電路的高邊控制端HIN相連，PD9、PD10和PD11端口分別與低邊控制端LIN相連；PA1（ADC1_IN1）、PA2（ADC1_IN2）和PA3（ADC1_IN3）端口與反電動勢檢測電路相連；PC0（ADC1_IN10）端口與電流監測電路相連；PC1（ADC1_IN11）端口與電壓監測電路相連；PD5、PD6端口與通信電路相連；PC6、PC7端口分別與兩個LED燈相連，作為警報信息；預留的IO管腳可用于后期的擴展開發。

2.2 電源電路設計

在設計實驗中以12V的無刷直流電機為實驗對象，功率驅動芯片使用的電壓也為12V，12V直接由外部電源供給；而STM32和通信電路使用的電壓為3.3V，所以需要把12V電壓轉換成3.3V電壓，使用集成穩壓器AMS1117實現該電壓轉換。

2.3 三相逆變電路及功率驅動電路設計

圖2為三相逆變電路及功率驅動電路圖，此處只列舉其中一相，其余兩相設計相同，三相逆變電路是由6個MOSFET管IRF3205組成的橋式電路，每一相由上下橋臂控制。當無刷直流電機運轉時，相應的MOSFET管需要導通，IRF3205的導通電阻RDS為毫歐級值，可近似忽略壓降VDS，所以源極S電位就近似等于12V的電源正電位，要使IRF3205管保持正常工作，其柵極G的電位必須大于12伏，即柵極G電位VG=VGS+12（VGS為門極電壓，最大值為20V），而STM32的IO口最大輸出電壓值為3.3V，故無法直接驅動IRF3205，因此采用三個IR2101S集成芯片構成功率驅動電路，每個芯片分別驅動每相上下橋臂IRF3205管的通斷，使用IR2101S設計功率驅動電路時，主要是在芯片的外圍添加自舉電容和快速恢復二極管，電阻起限流的作用。

2.4 反電動勢檢測電路設計

圖3所示為反電動勢檢測電路，是由六個精密電阻組成的分壓電路，把三相端電壓進行降壓以符合STM32的AD轉換電壓范圍，電機驅動電壓為12V，STM32的AD采樣最大值為3.3V，設計采取的分壓比為1/6，其中電阻R10=R11=R12=5K，R13=R14=R15=1K。

2.5 電流與電壓監測電路設計

無刷直流電機在起動或發生堵轉時容易產生較大電流，故要對電流實時監測，圖4所示為電流監測電路，圖中的COM端連接到三相逆變電路中的三個低邊MOSFET管公共端，當較大電流經過電阻R35時就會在其兩端產生電壓，通過監測電壓從而達到監測電流的目的，電阻R36和電容C26起濾波作用；電壓監測電路也是由電阻和電容構成的分壓電路，用于實時監測供電電壓。

3 軟件設計

軟件設計主控制程序流程圖如圖5所示，先進行初始化程序，STM32控制器接收到來自串口發送的啟動指令后進入啟動程序，采用“三段式”啟動法[3]，完成之后電機進入正常的閉環運轉狀態：將端電壓輸入STM32的AD轉換器，采用反電動勢過零點的檢測方法，經軟件程序運算得到換相點，按照預定的換相方向使電機有序運轉。改變PWM占空比實現電機的調速，使用STM32的AD規則通道組形式對電壓、電流和溫度進行連續循環采樣，執行實時監控，如發生異常時相應的LED燈發出指示信號并將電機停止運轉，保證系統的安全性。

4 結束語

文章利用STM32的控制性能和豐富外設，采用模塊化方法，設計了無刷直流電機驅動器，實現了無位置傳感器的無刷直流電機控制。該驅動器具有較高的性價比，有一定的使用價值。

參考文獻

[1]STMicroelectronics Inc.STM32F10XXX參考手冊[EB/OL].2010.

[2]夏長亮.無刷直流電機控制系統[M].北京：科學出版社，2009.

[3]曾光華，等.基于STM32的無位置傳感器無刷直流電機控制系統[J].湖南工業大學學報，2012，1.

[4]吳大勇，賈敏智.STM32在三相無刷直流電機控制系統中的應用[J].微電機，2014，3.