基于STM32的無刷直流電動機控制器設計

王勁，桑凌峰

（寧波職業技術學院機電工程學院，浙江寧波 315800）

0 引言

服務機器人的電動機多為直流電動機，直流電動機分為無刷直流電動機控制和有刷直流電動機控制，其中有刷直流電動機的控制現在已經比較成熟[5-6]，且有刷電動機存在機械換向問題，因此壽命較短；無刷電動機采用電子換向的方式，具有響應快、效率高、噪聲小等優點，因此已經在服務機器人行業廣泛應用[7-11]。

在采用多電動機進行驅動時，往往需要進行多電動機的協調控制，實現電動機的主動控制、被動控制及跟隨控制，因此在進行電動機控制器設計時，不僅需要考慮位置控制、速度控制，還需要電流控制[12-14]。基于此，本文采用STM32芯片設計了一款控制器，該控制器可以實現位置控制、速度控制及電流控制，并能實時實現這3種模式的切換。

1 無刷直流電動機控制工作原理

1.1 無刷直流電動機數學模型

無刷直流電動機單相定子繞組的電壓平衡方程可以通過下式進行表述：

通過上述狀態方程，可以把無刷電動機等效為圖1所示電路。

圖1 無刷電動機等效電路

因此可以得到無刷直流電動機的電磁轉矩為

由于無刷直流電動機在每次通電時，僅有兩相繞組可以得電，因此可以得到

通過無刷電動機的數學推導可以看出，我們可以通過控制無刷電動機通電繞組的電流及通電繞組兩端的電壓來控制無刷電動機的速度和力矩。

1.2 無刷直流電動機控制器的工作原理

圖2為無刷直流電動機的控制框圖。采用意法半導體公司生產的STM32F103RBT6作為主處理芯片。硬件電路主要包含電源電路、驅動電路、逆變電路、電流檢測電路、霍爾傳感及光電編碼器。其中電源電路用于處理電動機供電、芯片供電及運算放大器等的供電；驅動電路用于驅動逆變電路換向；電流檢測電路用來檢測通過三相繞組的電流，間接獲得此時電動機的力矩；逆變電路根據驅動電路的指令導通相應的MOS管，實現電動機對應繞組通電；霍爾傳感用于檢測電動機轉子當前所處的位置；光電編碼器用于實現對當前電動機位置的反饋。

上面說到的一些原材料中，質量控制主要是體現在含泥量方面，按照已有的標準慣例來看，在砂石的含泥量中不得大于3%，而碎石的含泥量也不能超過2%，假若是不小心超過了這個已有的標準，那將會對整個建筑工程的質量帶來尤為嚴重的危害。并且除了上文說的要保證碎石、砂石等原材料的含泥量外，也需要做好對于骨料的質量控制，骨料看重的是他的含水量，這個因素將直接影響著混凝土的強度，在選擇骨料的時候應該選擇熱膨脹系數比較小，且含泥量相對較低的骨料。在材料的質量控制中，要對混凝土進行嚴格把控，這也是整個建筑材料的質量核心，混凝土質量與規格的達標是對整個建筑材料的保證，更是有利于提升建筑工程整體的施工質量和建設水平。

圖2 無刷電動機控制框圖

2 硬件設計

2.1 電源硬件設計

本系統采用多電源供電，如圖3所示。24 V主要用電動機供電，13 V用于功率驅動模塊供電，5 V用于霍爾和編碼器供電，3.3 V用于單片機供電。

圖3 電源電路設計

2.2 STM32最小系統設計

STM32最小系統包括工作模式選擇（如圖4）、復位電路、濾波電路和晶振電路（如圖5）。工作模式選擇為上電即從用戶程序開始執行；復位采用上電自復位電路來實現。

圖4 單片機工作模式選擇

圖5 濾波和晶振電路

2.3 功率驅動模塊設計

圖6為單相繞組的功率驅動模塊設計。采用IR2103STRPBF芯片進行驅動，依靠D4 二極管和C12的電容構成自舉電路。當HIN和LIN同時為高電平時，HO輸出高電平使Q1導通，當HIN和LIN同時為低電平時，LO輸出高電平使Q2導通。通過圖6所示的3個單相功率驅動模塊電路可以實現對6個MOS管不同時刻的導通，進而實現電動機旋轉。

圖6 功率驅動模塊設計

2.4 電流檢測設計

由于單片機的檢測電壓在0～3.3 V之間，對于較小的電壓或較大電壓其檢測的靈敏度較弱，因此我們將檢測電壓設計在1.6～2.2 V之間；控制器最高可以承受的工作電流為30 A，以封裝、功率滿足情況下選擇較大阻值為原則進行設計，可得采樣電壓變化如下：

式中：Imax=30 A；Ps=3 W。

將數據代入式(8)可以得到采樣電阻為Rs≈0.003 Ω。進而可以得到采樣電壓的變化范圍為0～90 mV。由于將電壓直接升至1.6～2.2 V較為困難，先將電壓抬高至1.65 V（如圖7），之后在此基礎上再將原有的采樣電壓放大5倍，可以得到最終的采樣電壓變化范圍為1.65～2.10 V。圖8為采樣電阻電壓放大電路。

圖7 采樣電阻電壓拉升電路

圖8 采樣電阻電壓放大電路

3 軟件設計

圖9為無刷電動機驅動控制的軟件控制框圖。分別于1、10、50 ms周期處對電流、速度和位置進行檢測。在進行電流控制時，采用位置式PID進行運算；在進行速度控制時采用增量式PID進行計算；在進行位置控制時采用位置式PID進行計算。

圖9 無刷驅動控制軟件框圖

4 控制算法

在每一個控制周期，3種控制模式獨立運行，計算結果作為PWM的操作變量進行輸出。

4.1 位置控制

4.2 速度控制

速度控制的操作變量Prv可以通過下式進行表示：

4.3 電流控制

對于電流控制，分3種情況來討論：1）實際測得電流比目標電流大，根據電動機轉動受到的阻力不同又分為3種情況。a.有阻力但不足以卡死電動機；b.阻力剛好卡死電動機；c.阻力大于電動機產生的轉矩，造成反轉。2）實際測得電流比目標電流小，電動機轉動方向和電流控制方向相同且帶動電動機旋轉。3）實際測得電流和目標電流相同，阻力很小?？梢圆捎孟旅婀竭M行描述：

5 實驗研究

基于前述的硬件電路設計和軟件程序設計，開發無刷電動機控制器，如圖10所示。利用該控制器對單個電動機的位置控制、速度控制及電流控制分別進行實驗。

使用Processing軟件進行了調試界面編程；整個調試界面如圖11所示，可以使用該調試界面進行位置控制、速度控制和電流控制。

圖11 電動機調試界面

整個測試系統如圖12所示。在此系統下對電動機的控制模式進行測試，首先是位置模式，測試結果如圖13（a）所示。電動機每轉1圈可以產生的pulse數為24，預設的電動機運動位置pulse數為6000，電動機運行到5 s位置時到達此位置；電動機總共運轉了250圈。電動機運行到恒定速度約為3750 r/min，通過計算得到，在5 s內可以運動到達該位置，因此可以看出運動曲線正確。同時反復進行運動測試，結果發現，其誤差均小于±0.1%。

圖12 電動機控制測試系統

設定電動機的控制速度為6000 r/min, 通過電動機調試界面反饋數據并將其保存，我們可以得到運行結果為圖13（b）；觀察曲線可以看出，在大約8.4 s時上升到該速度；指定速度和實際速度之間的誤差小于±1%。

設定電動機的控制電流為0.4 A，在電動機運行開始的時候，增加外力，可以看出電動機電流升至1 A左右，當時間在1.7 s時，電動機電流又被控制拉回到原來的電流位置，保持在0.4 A左右，運行結果如圖13(c)所示。

圖13 3種控制測試曲線

6 結語

1）通過無刷電動機理論分析和控制算法設計，完成了無刷電動機控制器的硬件電路和軟件框架，通過測試可以看出，控制器可以實現位置控制、速度控制和電流控制，并能實時實現3種控制方式的任意切換；其中位置控制和速度控制誤差分別小于±0.1%和±1%，能夠很好地滿足控制要求。

2）本文中雖然實現了電流控制，但是電流控制的精度及控制時間需要在后續的研究中進一步提高。