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龙源期刊网的无刷直流电机驱动器设计作者：马宗毅曾绍稳来源：《科技创新与应用》2016年第10期摘要：利用主控制器STM32所具有的优势，设计无位置传感器无刷直流电机为控制对象的驱动器，包括功率驱动电路、三相逆变电路、反电动势检测电路和电流与电压监测电路。该驱动器设计成本较低，具有一定的应用价值。关键词：STM32；无位置传感器；无刷直流电机1概述与8位单片机有限指令和性能相比，32位STM32处理器的工作频率达到72MHZ，处理能力达到1.25DMIPS，能实现高端运算能力；与32位DSP高成本和高功效相比，32位STM32处理器具有出众的功耗控制和明显价格优势，同时其内部高度集成，具有创新而丰富的外设，更加利于控制系统的开发。同时STM32中的STM32F103增强型系列具有专门为实现电机控制的高级定时器，以及转换速度为1MHZ、精度为12位的ADC[1]。无刷直流电机既具有直流电机调速性能良好、运行效率较高等的特征，又具有交流电机构造简单、故障率低等的特点，具备两者优势，具有广阔应用前景。无刷直流电机分为有位置传感器和无位置传感器两种，两者相比，后者具有许多优势：缩小了无刷电机的体积和成本；增强了抗干扰能力，扩大在高温、高腐蚀性等特殊场合的使用范围；提高了系统可靠性，降低电机的维护工作量[2]。本设计以无位置传感器无刷直流电机为控制对象。2硬件设计2.1硬件总体结构利用STM32较强控制性能及丰富外设，使硬件设计较为简单，所占空间较小，进一步降低成本，图1所示为驱动器硬件框图，以STM32为控制核心，包括电源电路、功率驱动电路、三相逆变电路、反电动势检测电路、电流监测电路、电压监测电路和串口通信电路。在设计中选用STM32F103型号，其I/O口分配为：PA8端口（TIM1_CH1）、PA9（TIM1_CH2）端口和PA10（TIM1_CH3）端口分别与功率驱动电路的高边控制端HIN相连，PD9、PD10和PD11端口分别与低边控制端LIN相连；PA1（ADC1_IN1）、PA2（ADC1_IN2）和PA3（ADC1_IN3）端口与反电动势检测电路相连；PC0（ADC1_IN10）端口与电流监测电路相连；PC1（ADC1_IN11）端口与电压监测电路相连；PD5、PD6端口与通信电路相连；PC6、PC7端口分别与两个LED灯相连，作为警报信息；预留的IO管脚可用于后期的扩展开发。龙源期刊网的无刷直流电机为实验对象，功率驱动芯片使用的电压也为12V，12V直接由外部电源供给；而STM32和通信电路使用的电压为3.3V，所以需要把12V电压转换成3.3V电压，使用集成稳压器AMS1117实现该电压转换。2.3三相逆变电路及功率驱动电路设计图2为三相逆变电路及功率驱动电路图，此处只列举其中一相，其余两相设计相同，三相逆变电路是由6个MOSFET管IRF3205组成的桥式电路，每一相由上下桥臂控制。当无刷直流电机运转时，相应的MOSFET管需要导通，IRF3205的导通电阻RDS为毫欧级值，可近似忽略压降VDS，所以源极S电位就近似等于12V的电源正电位，要使IRF3205管保持正常工作，其栅极G的电位必须大于12伏，即栅极G电位VG=VGS+12（VGS为门极电压，最大值为20V），而STM32的IO口最大输出电压值为3.3V，故无法直接驱动IRF3205，因此采用三个IR2101S集成芯片构成功率驱动电路，每个芯片分别驱动每相上下桥臂IRF3205管的通断，使用IR2101S设计功率驱动电路时，主要是在芯片的外围添加自举电容和快速恢复二极管，电阻起限流的作用。2.4反电动势检测电路设计图3所示为反电动势检测电路，是由六个精密电阻组成的分压电路，把三相端电压进行降压以符合STM32的AD转换电压范围，电机驱动电压为12V，STM32的AD采样最大值为3.3V，设计采取的分压比为1/6，其中电阻R10=R11=R12=5K，R13=R14=R15=1K。2.5电流与电压监测电路设计无刷直流电机在起动或发生堵转时容易产生较大电流，故要对电流实时监测，图4所示为电流监测电路，图中的COM端连接到三相逆变电路中的三个低边MOSFET管公共端，当较大电流经过电阻R35时就会在其两端产生电压，通过监测电压从而达到监测电流的目的，电阻R36和电容C26起滤波作用；电压监测电路也是由电阻和电容构成的分压电路，用于实时监测供电电压。3软件设计软件设计主控制程序流程图如图5所示，先进行初始化程序，STM32控制器接收到来自串口发送的启动指令后进入启动程序，采用“三段式”启动法[3]，完成之后电机进入正常的闭环运转状态：将端电压输入STM32的AD转换器，采用反电动势过零点的检测方法，经软件程序运算得到换相点，按照预定的换相方向使电机有序运转。改变PWM占空比实现电机的调速，使用STM32的AD规则通道组形式对电压、电流和温度进行连续循环采样，执行实时监控，如发生异常时相应的LED灯发出指示信号并将电机停止运转，保证系统的安全性。龙源期刊网的控制性能和丰富外设，采用模块化方法，设计了无刷直流电机驱动器，实现了无位置传感器的无刷直流电机控制。该驱动器具有较高的性价比，有一定的使用价值。参考文献[1]STMicroelectronicsInc.STM32F10XXX参考手册[EB/OL].2010.[2]夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京：科学出版社，2009.[3]曾光华，等.基于STM32的无位置传感器无刷直流电机控制系统[J].湖南工业大学学报，2012，1.[4]吴大勇，贾敏智.STM32在三相无刷直流电机控制系统中的应用[J].微电机，2014，3.龙源期刊网