車用小型無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧鵬　唐文濤　羅靜　孫歆鈺

摘要：針對(duì)車用小型無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程中存在超調(diào)量大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大和調(diào)速不平滑等問題，采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為無刷直流電機(jī)的控制核心，并利用PID修正算法實(shí)現(xiàn)了車用小型直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。為了增大無刷直流電機(jī)的調(diào)速范圍、減小系統(tǒng)靜差率，采用校正后的PID算法控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其特點(diǎn)是原理簡單、調(diào)速控制方便、性能穩(wěn)定。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用PID校正后，電機(jī)抗干擾和動(dòng)態(tài)控制能力大幅提升，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高，跟隨性強(qiáng)，超調(diào)量小，非常適合在負(fù)載突變頻繁的環(huán)境中工作。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；STM32F103C8T6單片機(jī)；PID校正；傳遞函數(shù)

中圖分類號(hào)：TP33? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1008-4657（2023）02-0001-08

0? ? ? ? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車等交通工具在人們的日常生活中起著不可或缺的作用，其需求日益增長，然而市面上的小型車輛多以石油等不可再生的化石燃料為動(dòng)力源，化石燃料燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳以及有毒氣體，不僅加重溫室效應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生霧霾等環(huán)境污染問題。近年來，無刷電機(jī)異軍突起。無刷電機(jī)性能優(yōu)良，在運(yùn)行過程中不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，且具有工作噪音小、轉(zhuǎn)化效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，研發(fā)以無刷直流電機(jī)作為車用小型驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)化來源的高性能小型車輛成為主流。

國外研究無刷直流電機(jī)比較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的控制技術(shù)逐漸趨于成熟［ 1-3 ］。國內(nèi)對(duì)無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，最開始主要集中在高校和研究所，到上個(gè)世紀(jì)80年代，無刷直流電機(jī)逐步應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。無刷直流電機(jī)不僅具有調(diào)速性能好、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，還具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等性能，是小型車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想動(dòng)力轉(zhuǎn)化裝置。考慮到實(shí)際安裝在小型車輛上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜、工況多變，本設(shè)計(jì)通過引入先進(jìn)的控制策略來提高直流無刷電機(jī)的控制性能。

1? ? ? ?小型無刷直流電機(jī)的工作原理及數(shù)學(xué)模型

1.1? ? ? ?小型無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(jī)（簡稱BLDCM）由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成，是一種典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它在結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)是沒有碳刷。無刷直流電機(jī)容量范圍可達(dá)400? kW以上，電壓種類多、效率高、調(diào)速范圍廣。無刷直流電機(jī)磁場是由安裝有永磁鐵的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件的通電導(dǎo)體產(chǎn)生，定子由線圈組成，線圈通上直流電后，變成電磁鐵，電磁鐵的磁性會(huì)與轉(zhuǎn)子上的永磁鐵產(chǎn)生作用力，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2.3? ? ? ? 設(shè)置模糊控制規(guī)則

PID控制器的3個(gè)參數(shù)值取值是根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)速誤差率得到的，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可以得到合適的模糊規(guī)則表，如表1所示。

2.2.4? ? 解模糊化

經(jīng)過模糊推理，得到的輸出是一個(gè)模糊集合，我們需要用確定的值對(duì)無刷電機(jī)進(jìn)行控制，因此，還需要進(jìn)行解模糊化。解模糊化就是將控制器輸出的不確定的量乘以比例因子，從而得到確定的值。

從以上模型可以看出，采用模糊PID算法，可以實(shí)時(shí)修正PID參數(shù)，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制更精確。

3? ? 系統(tǒng)控制硬件電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)速度控制系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行控制，其硬件部件由STM32F103C8T6單片機(jī)、OLED12864液晶顯示屏、獨(dú)立鍵盤、直流無刷電機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路等組成。STM32F103C8T6單片機(jī)性價(jià)比高，使用簡單，功能強(qiáng)大。系統(tǒng)工作時(shí)先通過按鍵設(shè)置功能，單片機(jī)通過定時(shí)器產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)，根據(jù)定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制，最終實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的起動(dòng)、停止、加速、減速以及方向的改變。在OLED12864液晶上顯示當(dāng)前的無刷電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制框圖如圖5所示。

3.1? ? 輔助電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的工作電壓為12 V，OLED12864顯示屏工作電壓為5 V，單片機(jī)的工作電壓為3.3 V［ 13-15 ］。整個(gè)系統(tǒng)采用12 V適配器供電，12 V電壓轉(zhuǎn)5 V和3.3 V電壓電路圖如圖6所示，通過LM2596芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)成5 V電壓，再通過LM1117芯片將5 V轉(zhuǎn)成3.3 V，為了減小電磁干擾對(duì)輸入信號(hào)的干擾，在輸入端并聯(lián)兩個(gè)濾波電容。

3.2? ? OLED12864顯示電路的設(shè)計(jì)

作為新一代顯示技術(shù)，有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)（Ganic Light Eming Display）可實(shí)時(shí)顯示文字、漢字、圖片等信息。與普通LCD顯示屏相比，OLED在超輕薄，低功耗，高亮度，廣可視角度，自發(fā)光，快速響應(yīng)等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，在各種儀器儀表的顯示終端上得到了廣泛的應(yīng)用。

本論文以O(shè)LED12864為OLED單色文字圖表顯示模塊，使用12 864行點(diǎn)陣，內(nèi)具有64 × 64的顯示數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)與OLED屏幕相對(duì)應(yīng)，在某個(gè)一點(diǎn)暗狀態(tài)下進(jìn)行亮暗。OLED12864接口電路和程序編寫簡單，數(shù)據(jù)接口為串行接口，可以方便的與STM32單片機(jī)連接。

3.3? ? 按鍵模塊的設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)中所需要的按鍵并不多，采用3個(gè)獨(dú)立的按鍵即可，按鍵一個(gè)引腳直接接到單片機(jī)的GPIO口，另一個(gè)引腳接地，CPU通過GPIO口檢測(cè)按鍵狀態(tài)。三個(gè)獨(dú)立分別為KEY1、KEY2、KEY3，KEY1是轉(zhuǎn)換操作，操作方式為停止、正傳、反轉(zhuǎn)；按鍵KEY2用于控制無刷直流電機(jī)加速；按鍵KEY3用于控制無刷直流電機(jī)減速。

4? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分主要包括系統(tǒng)主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)顯示程序、數(shù)據(jù)通信程序和中斷服務(wù)程序等部分，為使直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)達(dá)到良好的效果，軟件設(shè)計(jì)過程中對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化。其中，主程序主要通過判斷按鍵掃描來完成電機(jī)控制；利用中斷模塊實(shí)時(shí)捕捉位置信號(hào)中斷情況，對(duì)轉(zhuǎn)子位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的檢測(cè)，確保電機(jī)運(yùn)行正常。

主程序首先完成各個(gè)模塊的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、HAL庫初始化、GPIO初始化、上位機(jī)通訊協(xié)議初始化、調(diào)試串口初始化、目標(biāo)速度初始化等，以保證各模塊的正常運(yùn)行。主程序工作順序從上到下，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，將轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序處執(zhí)行，中斷服務(wù)程序執(zhí)行結(jié)束后再返回主程序，繼續(xù)向下執(zhí)行。主要程序工作流程如圖7所示。

STM32單片機(jī)具有強(qiáng)大的中斷功能，其每個(gè)GPIO口都可以設(shè)置成外部中斷功能，與GPIO口連接的外接中斷線達(dá)到16條。通過A/D采集電機(jī)轉(zhuǎn)速的流程要結(jié)果經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟。該系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)、故障保護(hù)等基本功能，利用中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)了無刷電機(jī)的控制。在進(jìn)入中斷流程后，轉(zhuǎn)子的位置捕捉與A/D采樣中斷，位置捕捉中斷是通過檢測(cè)更好地實(shí)現(xiàn)馬達(dá)在轉(zhuǎn)子的位置上的換相，A/D采樣中斷目的是確保電流的穩(wěn)定輸出和閉環(huán)控制。本文的中斷程序模塊用來實(shí)時(shí)捕捉位置信號(hào)，針對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障的問題，通過硬件中斷保護(hù)系統(tǒng)，保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。中斷程序模塊包括中斷方式采集轉(zhuǎn)速和電流、中斷服務(wù)子程序的A/D轉(zhuǎn)換和中斷服務(wù)子程序的霍爾電平變化。其中，霍爾電平變化起到連接程序在中斷程序中的關(guān)鍵程序的作用，實(shí)現(xiàn)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。電機(jī)換相主要是通過改變控制寄存器，使PWM的輸出極性發(fā)生變化，從而對(duì)電機(jī)換相進(jìn)行控制。

5? ? 系統(tǒng)測(cè)試

該系統(tǒng)采用閉環(huán)式的控制，通過調(diào)整PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。該系統(tǒng)采用了調(diào)試控制算法中的各參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)控制的預(yù)測(cè)。為檢驗(yàn)PI調(diào)整器的參數(shù)正確性，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在初始時(shí)刻0 N·m，在0.2s時(shí)，將基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速調(diào)至1000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)調(diào)整為10 N·m，轉(zhuǎn)速波形和轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有很大關(guān)系，它是由無刷電機(jī)推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的，所以通過轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。通過對(duì)無刷電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)速、空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系測(cè)試，在空載和負(fù)載啟動(dòng)時(shí)小車速度響應(yīng)平滑、超調(diào)量小，同時(shí)具有轉(zhuǎn)矩大并且穩(wěn)定的特性。

6? ? 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心的車用小型直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，根據(jù)直流無刷電機(jī)的特點(diǎn)建立了數(shù)學(xué)模型，通過校正后的PID算法，結(jié)合硬件和軟件設(shè)計(jì)以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，優(yōu)化設(shè)計(jì)了車用小型直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)分析，完成了PID校正算法的實(shí)現(xiàn)，使電機(jī)測(cè)速的應(yīng)用得到了更多的應(yīng)用，使得電機(jī)抗干擾和動(dòng)態(tài)控制能力大幅提升，穩(wěn)態(tài)精度高，跟隨性強(qiáng)，無超調(diào)，方法可行，效果更優(yōu)，在負(fù)載突變頻發(fā)環(huán)境非常適合。

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［責(zé)任編輯：許立群］

Design of Speed Control System for Small

Brushless DC Motor in Vehicle

DENG Peng，TANG Wentao，LUO Jing，SUN Xinyu

（College of Electronic Information Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract： To aim at the problems of large overshoot， large torque fluctuation and uneven speed regulation in the speed control of small brushless DC motors for vehicles， this design uses STM32F103C8T6 single-chip microcomputer as the control core of brushless DC motors， and realizes the rotational speed control of small DC brushless motor for vehicles with PID correction algorithm. In order to increase the speed range of the brushless DC motor and reduce the static error rate of the system， this design uses the corrected PID algorithm to control the speed of the brushless DC motor. It is characterized by simple principle， convenient speed control and stable performance. The simulation and experimental validation show that the PID correction has significantly improved the anti-interference and dynamic control capabilities of the motor， and the system has high steady-state accuracy， strong followability， and small overshoot， which is very suitable for working in the environment with frequent load changes.

Key words：brushless DC motor；STM32F103C8T6 microcontroller；PID correction；transfer function

收稿日期：2023-02-02

基金項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（T2021028）；荊門市重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022ZDYF017）；荊楚理工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（YB202207）

作者簡介：鄧鵬（1981-），男，湖北荊門人，荊楚理工學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向：電機(jī)控制、電力電子與電力傳動(dòng)、機(jī)器人工程。