一種直流無刷電機驅動器設計與仿真

鄭鵬飛，侯哲生，白又丹，車文碩

（吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林吉林，132022）

0 引言

隨著工業發展、社會進步，無刷直流電機憑借著效率高、磨損低、安靜便捷以及動態響應快等優點，使其應用遍及社會生產的各個環節，比如洗衣機、空調、計算機外圍電子設備中被廣泛應用，除此之外，工業自動化生產中也涉及許多無刷直流電機，比如造紙，紡織以及全自動生產線[1][2]。

本文以無刷直流電機為控制對象，STM32F407 控制器為控制核心，配合DRV8303CAR 驅動芯片和三相逆變電路驅動控制對象，實現對電機的啟停和速度調制，并提供一種有效的電機驅動控制解決方案，對其控制系統的軟件與硬件進行設計，并結合Simulink 仿真平臺進行驗證，實驗結果表明本方案的可行性，為實際應用提供了一定的依據和保證。

1 FOC 控制原理

如圖1 所示，對電機三相電流進行采樣即ia,ib,ic，通過 Clarke 變換三相電流可以由自然坐標系下永磁同步電機的數學模型得到正交坐標系下的數學模型，從而得到iα和iβ。

圖1 永磁同步電機簡要驅動控制框圖[4]

Clarke 變換方程：

將iα和iβ經過Park 變換將正交坐標系變換為旋轉坐標系并得到電流實際值id和iq?，為轉子實時角度。

Park 變換方程：

計算電流實際值id和iq與電流設定值id?和iq?的誤差，把誤差放入PID 控制器，經過PID 控制器調節得出電壓指令值Ud?和Uq?，并將電壓指令值Ud?和Uq?進行反Park 坐標變換獲得電壓值Uα?和Uβ?并合成電壓矢量，空間矢量脈寬調制模塊對電壓矢量進行扇區判斷，然后計算相鄰矢量作用時間，最后通過三相橋功率器件通斷的方式產生 PWM 信號控制逆變器驅動電機[3]。

2 系統的總體設計

■2.1 系統構成

如圖2 所示，電機控制系統主要包括由電源管理電路、控制核心STM32F407 單片機、檢測轉子位置的霍爾傳感器、三相逆變電路和電機驅動芯片組成的電機驅動電路及其驅動對象直流無刷電機[5]。

圖2 控制器的系統硬件架構

■2.2 驅動電路

采用TI 公司的一款專門用于三相電機的柵極驅動器DRV8303CAR 作為驅動芯片，以及使用6 個BUK436-100B型號N-MOS 管來搭建三相全橋電路。DRV8303 集成有三組用于驅動場效應管的半橋驅動器，兩組用于測量三相電流的分流放大器。此芯片最高支持1.7A 柵極驅動電流和2.3A峰值電流。DRV8303 的電壓范圍為6V～60V。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 DRV8303 驅動器電路原理圖

DRV8303 的INH_A、INL_A等三組引腳接收STM32F407 發送的PWM 信號，對PWM 信號進行電壓和功率的放大。三相逆變電路如圖4 所示，DRV8303 將電壓和功率的放大后的PWM 信號通過GH_A、GL_A、GH_B、GL_B、GH_C、GL_C 控制6 個型號為BUK436-100B 的N-MOS 管從而控制上下橋臂的通斷，將直流電源轉換為可以變頻變壓的U、V、W 三相交流電源，從而驅動電機并起到電氣隔離的作用。另外nOCTW和nFAULT分別為過流、過溫指示和錯誤報告指示，接上拉電阻；DTC 為死區調節時間引腳，死區時間由外接電阻阻值決定；DRV8303 SPI在從模式下運行，引腳包括nSCS，SDI，SDO，SCLK；DC_CAL 的功能是給內部分流放大器作偏移校正；GVDD 為內部柵極驅動器自主升壓供電；REF 提供分流放大器輸出的基準電壓；EN_GATE 的功能是驅動芯片使能，準備開始工作；兩組SN、SP 引腳為內部集成的兩個分流放大器的輸入引腳，兩組SO 引腳為輸出引腳，兩組分流放大器可以測得三相電流中的U、V 兩組交流電，W 組交流電可以憑借U、V 兩組通過基爾霍夫定律計算獲得，形成電流環[6]，設計電路時在下半橋臂串聯采樣電阻R18 與R19，電容C12 與C13 作用是進行電流濾波。

圖4 三相逆變電路原理圖

■2.3 位置檢測電路

圖5 為位置檢測電路，通過一只三維的霍爾傳感器檢測轉子位置并以此計算電機轉速，霍爾傳感器通過VCC 提供+5V供電，并且為上拉電路，R20 與 C16，R21 與 C17，R22 與 C18 組成了 R C 濾波器，目的是濾除干擾信號。三維霍爾傳感器的三個信號分別為 HELLA，HELLB，HELLC，轉子旋轉一周為一個信號周期，每個信號周期平均分為六個扇區，一個扇區為60°，傳感器信號的電平均用0 和1 表示，每個扇區都有一個傳感器信號發生電平跳變，每個周期內3 只霍爾傳感器的電平信號組合分別為 001，101，100，110，010 和011，可以看出每個扇區信號組合都是不盡相同的[7]。所以我們可以根據電平信號得知轉子的位置，我們可以根據轉子轉過一個扇區的時間來計算轉子轉動的實時速度[8]。然后STM32F407 單片機將位置信號捕獲，根據反饋的位置信號發送對應觸發信號給DRV8303，從而控制N-MOS 管的通斷。

圖5 位置檢測電路原理圖

3 系統軟件設計

■3.1 系統主程序的設計

如圖6 所示，主程序首先對系統、延時、ADC、串口等各項功能進行初始化，然后按照順序啟動電機，開啟中斷與定時器，當遇見中斷請求時停止主程序運行優先運行中斷程序，跳出中斷程序后主程序繼續運行，以此循環。

圖6 主程序流程圖

■3.2 系統中斷處理程序的設計

中斷處理程序功能主要包括電流A/D 采樣以及霍爾信號的采樣，轉速環與速度環的控制，PWM 輸出等。電流A/D 采樣是為了保證能夠精準的接收電流反饋，從而穩定控制輸出電流即電機扭矩，霍爾信號捕獲是為了保證精準的確定轉子位置和速度從而保證實現速度環閉環控制。

當暫停主程序循環進入中斷后，保護現場同時進行電流A/D 采樣以及讀取霍爾傳感器的轉子位置、轉速信息；完成相關信息采集之后就是對采集電流信息分別進行Clarke 變換和Park 變換；將霍爾傳感器讀取的轉速信息與設定轉速對比獲得誤差，通過PI 控制器進行速度調節得到電流設定值和；通過Park 變換得到電壓指令值和，最后通過SVPWM 模塊計算，更新PWM 占空比產生新的調制波形，中斷子程序流程如圖7 所示。

圖7 中斷子程序流程圖

4 仿真實驗結果分析

■4.1 仿真模型的搭建

如圖8 所示，本節在 MATLAB/Simulink 中對這幾個電流分配策略進行建模仿真對比分析。整個電機控制系統的模型如圖，主要包括永磁同步電機、逆變器、三個坐標系變換模塊以及空間矢量脈寬調制模塊，永磁同步電機和逆變器使用 Simulink 庫中的自帶模塊，輸入實驗相關參數。下面主要對 SVPWM 模型和電流控制策略模型的搭建進行介紹。[9]

圖8 無刷直流電機控制系統仿真模型

■4.2 實驗結果分析

首先，模型給定轉速初始給定為1000r/min，從仿真結果轉速波形圖9(a)、電磁轉矩波形圖9(b)、定子電流波形圖9(c)可以看到，電機啟動時的定子電流和電磁轉矩的數值都比較大，所以響應速度很快，電機能夠在0.03s 左右快速達到給定轉速并保持穩定；0.2s 時加入20N.m的負載轉矩，電機轉速會出現小幅度降落，并在10ms 內恢復；0.3s時減速至800r/min 電機能在0.01s 左右快速達到給定轉速并保持穩定[10]。

圖9 仿真結果圖

5 結論

通過STM32F407 芯片與 DRV8303 芯片并結合 FOC 控制原理設計了一款電機驅動器，硬件控制芯片應用廣泛，軟件結構簡單方便進一步應用與開發；根據FOC 控制原理設計驅動電路、檢測電路、主程序以及中斷子程序等；搭建仿真模型進行實驗驗證，仿真實驗中電機運行及調速性能良好，符合實驗結果預期，進一步證明該直流無刷電機驅動方案具有可行性。