【文章內(nèi)容簡介】 PI端口；USB OTG；三相H橋電路采用六個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，電壓型逆變電路， IGBT本質(zhì)上是一個場效應(yīng)管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P型層，其各部分名稱基本沿用場效應(yīng)管的命名方法。IGBT將MOSFET和功率晶體管（GTR）的優(yōu)點集于一身，具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低和耐壓高等優(yōu)點，在一些功率較大的電機(jī)控制系統(tǒng)中，得到廣泛應(yīng)用三相H橋逆變模塊由直流母線電壓、電流采樣電路以及6個IGBT/MOFET管構(gòu)成如下圖所示，MOSFET管STB75NF75： V(BR)DSS漏源極擊穿電壓為75V，VGS(th)柵極門限電壓4V，RDS(on)，導(dǎo)通時間125ns，關(guān)斷時間96ns。通過驅(qū)動電路發(fā)送信號控制六個管子的通斷，進(jìn)而控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 控制電源電路下圖為控制電源電路，同樣具備過電流和電源反接兩種保護(hù)功能，控制電源和逆變電源共地。輸入電壓范圍18V~36V，采用DC/DC穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)15V和5V控制電壓輸出。 控制電源電路在帶位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，為了得到最大轉(zhuǎn)矩，微處理器需要根據(jù)位置傳感器的信號對無刷直流電機(jī)進(jìn)行換相操作。掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時刻，可以減少電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，因此位置檢測非常重要。位置傳感器在無刷直流電機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極相對位置的作用，并為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后去控制定子繞組換相。無刷直流電機(jī)中常用的位置傳感器主要有電磁式、光電式和磁敏式3種?；魻栁恢脗鞲衅髯鳛橐环N磁敏式位置傳感器憑借其結(jié)構(gòu)簡單和價格便宜的有點得到了廣泛的應(yīng)用。在大多數(shù)無刷直流電機(jī)中，霍爾位置傳感器由安裝在定子上的霍爾集成電路和安裝在轉(zhuǎn)子上的傳感器轉(zhuǎn)子構(gòu)成。傳感器轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置。若干個霍爾集成電路按等距的間隔，安裝在電機(jī)定子上，主轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極，傳感器就要產(chǎn)生出一組跳變信號。主轉(zhuǎn)子的極對數(shù)越多，則在360度機(jī)械角度內(nèi)傳感器產(chǎn)生的跳變信號也越多。在一個電周期內(nèi)，霍爾位置傳感所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)時不重復(fù)的，每一個開關(guān)狀態(tài)所占的電角度相等。以3個空間位置相差120度電角度的霍爾位置傳感器為例，每個周期內(nèi)每一個霍爾位置傳感器都會產(chǎn)生180度脈寬的輸出信號，3個霍爾位置傳感器輸出的信號相位互差120度。這樣它們在每個轉(zhuǎn)子電周期共有3個上升沿和3個下降沿，正好對應(yīng)著6個換相時刻。位置檢測不但用于換相控制，而且還可用于產(chǎn)生速度反饋控制量，轉(zhuǎn)子位置反饋信號被送入微處理器的輸入接口，這一組信號的電平狀態(tài)和跳變時刻決定了電機(jī)的換相狀態(tài)和時刻?；魻栁恢脗鞲衅鬏敵鲂盘朒A、HB和HC經(jīng)過高速光耦合隔離后輸出，在經(jīng)過整形和電容濾波濾去高頻信號干擾后得到HALLA、HALLB和HELLC,最后送入微處理器中 STM32 AD轉(zhuǎn)換控制器12位ADC是一種逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有18個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要特征如下：掃描模式，通道0到通道n的自動轉(zhuǎn)化；按通道配置采樣時間；雙模式（在帶2個ADC的設(shè)備上）。ADC轉(zhuǎn)換時間：STM103xx系列MCU，56MHz的時候1us（）；ADC供電要求：~ 。ACD的輸出范圍：VREF≤VIN≤VREF+；規(guī)則通道轉(zhuǎn)化期間產(chǎn)生DMA請求。 STM32 高級定時器STM32中有多達(dá)8個定時器，其中TIM1和TIM8是能夠產(chǎn)生三對PWM互補(bǔ)輸出的高級定時器，常用于三相電機(jī)的驅(qū)動，它們的時鐘由APB2的輸出產(chǎn)生。對于STM32系列微處理器來說，執(zhí)行一條指令只有幾十個ns，進(jìn)行for循環(huán)時，要實現(xiàn)N毫秒的x值非常大，而且由于系統(tǒng)頻率的寬廣，很難計算出延時N毫 秒的精確值。針對STM32微處理器，需要重新設(shè)計一個新的方法去實現(xiàn)該功能，以實現(xiàn)在程序中使用Delay(N)。CortexM3的內(nèi)核中包含一個SysTick時鐘。SysTick 為一個24位遞減計數(shù)器，SysTick設(shè)定初值并使能后，每經(jīng)過1個系統(tǒng)時鐘周期，計數(shù)值就減1。計數(shù)到0時，SysTick計數(shù)器自動重裝初值并繼續(xù)計數(shù)，同時內(nèi)部的COUNTFLAG標(biāo)志會置位，觸發(fā)中斷(如果中斷使能)。在STM32的應(yīng)用中，使用CortexM3 內(nèi)核的SysTick作為定時時鐘，設(shè)定每一毫秒產(chǎn)生一次中斷，在中斷處理函數(shù)里對N減一，在Delay(N)函數(shù)中循環(huán)檢測N是否為0，不為0則進(jìn)行循環(huán)等待；若為0則關(guān)閉SysTick時鐘，退出函數(shù)。需要注意的是全局變量TimingDelay必須定義為volatile，延遲時間將不隨系統(tǒng)時鐘頻率改變。外部晶振為8MHz，9倍頻，系統(tǒng)時鐘為72MHz，SysTick的最高頻率為9MHz（最大為HCLK/8），在這個條件下，把SysTick 效驗值設(shè)置成9000，將SysTick 時鐘設(shè)置為9MHz， 就能夠產(chǎn)生1ms的時間基值，即SysTick產(chǎn)生1ms的中斷[13]。使用ST的函數(shù)庫使用systick的方法:（1）調(diào)用SysTick_CounterCmd() 失能SysTick計數(shù)器（2）調(diào)用SysTick_ITConfig () 失能SysTick中斷 （3）調(diào)用SysTick_CLKSourceConfig() 設(shè)置SysTick時鐘源。（4）調(diào)用SysTick_SetReload() 設(shè)置SysTick重裝載值。（5）調(diào)用SysTick_ITConfig () 使能SysTick中斷（6）調(diào)用SysTick_CounterCmd() 開啟SysTick計數(shù)器3驅(qū)動系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)分析系統(tǒng)經(jīng)由HALL傳感器信號獲得電機(jī)實際運(yùn)行速度信息，經(jīng)由直流母線單電流采樣獲取電機(jī)電流信息，這些信息和各自的設(shè)定值的差值經(jīng)兩個串聯(lián)的PI調(diào)節(jié)器處理后，最終以占空比的形式輸出去控制逆變器的輸出電壓，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。無刷直流電機(jī)起動：采用定相起動方式，即通過在電樞繞組上施加一定幅值直流電壓，迫使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到某一特定位置，與此同時HALL傳感器輸出與之對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置信息，至此系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。在正常運(yùn)行狀態(tài)，在由HALL信號觸發(fā)的中斷服務(wù)程序中，控制器以三相HALL信號的狀態(tài)依據(jù)，以此獲取下一步三相逆變H橋功率器件的狀態(tài)，隨后軟件產(chǎn)生換相事件實現(xiàn)三相H橋輸出換相，如此在電樞繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場，保證了電機(jī)的連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)；同時通過對HALL信號相鄰跳變間隔時間的計數(shù)，系統(tǒng)獲取了電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，由液晶屏顯示。BLDC雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)MCU外設(shè)初始化模塊BLDC換相模塊PID算法模塊LCD顯示驅(qū)動模塊BLDC系統(tǒng)參數(shù)主函數(shù)模塊系統(tǒng)的初始化中主要包括了單片機(jī)的時鐘配置，系統(tǒng)時鐘SysTick初始化，GPIO初始化，定時器配置，嵌套向量中斷控制器（NVIC）配置，LCD的初始化，PWM初始化，ADC初始化等工作。其中單片機(jī)的時鐘配置決定了單片機(jī)的工作頻率，在本次設(shè)計中單片機(jī)所配置的工作頻率為72MHz。對模擬通道直流偏移電壓進(jìn)行測量，然后對全局變量和PID參數(shù)進(jìn)行初始化。完成后固定電機(jī)轉(zhuǎn)子，延時一定時間。等待HALL信號，判斷其是否有效，有效電機(jī)啟動，無效時，HALL沒有超時則繼續(xù)等待，超時則報電機(jī)故障。無刷直流電機(jī)根據(jù)HALL位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息，轉(zhuǎn)子在不同電角度范圍下輸出對應(yīng)的信號及三相反電勢。通過電子換相線路去驅(qū)動與電樞繞組連接的相應(yīng)的功率開關(guān)器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變。HALL中斷函數(shù)中首先要檢查HALL信號標(biāo)志，然后讀取其狀態(tài)信息。獲得HALL信號后通過查看換相表，進(jìn)而產(chǎn)生換相事件，同時讀取TIM2定時器的信息，計算轉(zhuǎn)速。現(xiàn)在運(yùn)行轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速比較，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相同。 PWM更新中斷STM32單片機(jī)的定時器TIM1～TIM4都能夠產(chǎn)生輸出互補(bǔ)的PWM信號。重要的是STM32的TIM1高級定時器能夠產(chǎn)生具有可編程死區(qū)時間的PWM脈寬波形。STM32的PWM模式有模式1和模式2。在PWM模式1，當(dāng)TIM1_CNT小于PWM脈寬裝載值時，TIM1的參考信號OCxREF為高，否則為低。模式2與模式1相反。為減少單片機(jī)的運(yùn)算這里采用PWM模式1，同時TIM1的CH1具有互補(bǔ)輸出的功能，因此用CH1輸出端口PE8，PE9輸出互補(bǔ)的PWM波形。在主電路IGBT的H橋中，由于IGBT的關(guān)斷時間大于它的開通時間，上下橋臂在同一時間換向就會引起要關(guān)斷的IGBT還沒有可靠關(guān)斷，而要開通的IGBT被打開，這時就會出現(xiàn)上下橋臂直通，嚴(yán)重時會直接燒壞IGBT，因此上下橋臂換向時要設(shè)置死區(qū)時間用以防止出現(xiàn)H橋的直通現(xiàn)象。在這里采用STM32高級定時器TIM1的死區(qū)插入可以設(shè)置死區(qū)時間。根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊和驅(qū)動IGBT的光耦的數(shù)據(jù)手冊，這里選擇死區(qū)時間為3微秒。其輸出占空比為70%的PWM忽略電機(jī)電樞電阻和開關(guān)管管壓降，則無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）： （）式中，為反電動勢系數(shù)（V/rpm），為電機(jī)反電勢（V），逆變器輸出線電壓（V）。PWM模式下，逆變器輸出線電壓： （）式中，為占空比（0~1），逆變器直流母線電壓（V）。則有： （）轉(zhuǎn)速檢測是電機(jī)數(shù)字調(diào)速非常重要的一個環(huán)節(jié)，它關(guān)系到電機(jī)的性能和穩(wěn)定性問題，通過STM32微控制器的編碼器接口定時讀取位置信號，然后計算轉(zhuǎn)速，數(shù)字濾波。TIM2定時器連接霍爾傳感器，來自HALL傳感器的轉(zhuǎn)子三相位置信號經(jīng)由定時器3個輸入腳（CCCCCC3）輸入，再通過一個異或門輸出，定時器負(fù)責(zé)捕獲這個信號。當(dāng)3個輸入之一變化時，計數(shù)器重新從0開始計數(shù)。捕獲值反映了兩個輸入變化間的時間延遲，給出了馬達(dá)速度的信息。設(shè)定時器時鐘頻率為（Hz），則三相HALL信號變化頻率（Hz）： （）式中，CCR1為定時器的捕獲值。則有電機(jī)轉(zhuǎn)速n（rpm）： （）式中，p為電機(jī)極對數(shù)。4 電機(jī)控制算法在連續(xù)時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用的非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。自從計算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機(jī)代替模擬計算機(jī)調(diào)節(jié)器組成計算機(jī)控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實現(xiàn)PID控制算法，而且可以利用計算機(jī)的邏輯功能，使PID控制更加靈活，數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，在機(jī)電、冶金、機(jī)械、化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。 PID控