发表时间：2019-02-22T10:40:30.043Z 来源：《防护工程》2018年第32期作者：邵广亚[导读] 该系统采用STM32单片机为核心控制器。结果表明，系统的控制误差小，精度高，速度快，能耗低，具有一定的推广价值。徐州市帝意电子有限公司江苏徐州 221000
摘要：现如今无刷直流电机已将以往传统的直流电机逐步取代，其具有结构简单、调速性能好、运行效率高且可靠、以及维护方便等多种优势；同时克服了有刷直流电机机械电刷和换向器摩擦所带来的影响调速性能和精度的弊端，因此得到了广泛的应用。 关键词：无刷；直流电机；控制系统
1 无刷直流电机概述
无刷直流电机（BLDCM）在某种程度上是同步电机中的一类，简而言之定子旋转磁场的速度和转子极数影响转子的转速。无刷直流电机不仅拥有传统直流电机的优点而且取消了碳刷、滑环结构，这样的设计使其增加许多特性：无级调速、调速范围广、过载能力强、可靠性高、稳定性好、适应性强、维修与保养简单等。无刷直流电机的换相逻辑电路的主要部分是控制和驱动，现在工程中经常将两者集成化为一体运用于小功率电路。无刷直流电机简单来讲就是电机本体与驱动器的集合。永磁钢以弧形 贴附在电机转子之上，位置传感器就是为了将转子的极性区分清楚。驱动器是通过接受逻辑电路的信号来控制电机换相、启动等动作，它的主要构成便是电子功率器件。
电机系统主要由CPU主控芯片、换相电路、基于FAN73892的驱动电路、电流及电压检测保护电路以及霍尔信号处理电路组成，其中换相电路是由6个MOSFET组成的三相全桥电路。系统工作时，主控芯片分析位置，发送信号到FAN73892输入端，由FAN73892驱动换相电路，控制MOSFET功率管的导通与关断。利用霍尔信号传感器判断现在转子的状态，实现电机转速控制。
工程应用上，对无刷直流电机的运行特性作如下假设：
a）电机的气隙磁感应强度沿气隙矩形分布；b）绕组通电时，该电流所产生的电枢反应去磁对主磁极磁通影响忽略不计；c）功率器件在开关状态下的管压降为恒值；d）各相绕组对称，其对应的控制单元完全一致，相应电气时间常数忽略不计；e）传感器及控制电路等功耗忽略不计；无刷直流电机的反电动势与电机的转速成正比，转矩与相电流成正比。根据上述分析，转矩与相电流成正比，对无刷直流电机的转矩控制转换为对相电流控制。本文要求无刷直流起动电机具有保护的功能，因此选择对电机的相电流进行控制是较合理的方案，同时通过调节功率管的PWM占空比，实现负载下的平滑运行。
3系统硬件设计
控制模块的设计要求为运行速度快、稳定可靠、性价比高，同时，直流电机的PWM控制信号要具有延时、输出互补和紧急停止等功能。本控制电路采用STM32F103C8T6单片机（简称STM32）为核心控制器，价格便宜且够用，其工作电压达2V～3.6V，能耗低。保证主控单片机正常工作的最小系统电路包括电源电路、晶振电路、程序下载电路、芯片电路。控制模块电源采用LM2596，LM2596是降压型开关电源芯片，驱动电流为3A，同时具备良好的线性和负载调节特性。LM2596将USB电路的5V电压稳压至3.3V，为STM32提供稳定电源，系统具备USB、JTAG两种程序下载方式。由6只功率管组成MOSFET全桥逆变电路。
驱动电路图
驱动模块采用BST7960电机驱动，具有反应迅速，发热量小的特点，电路如上图所示。无刷直流电机在定子上嵌入三个位置传感器，传感器采用霍尔传感器。转子转动时在磁极的作用下，霍尔传感器会产生高、低电平信号，3个传感信号的高低电平有8种组合，对应电机的8个位置，进而可知此时电机
的换向时序。STM32的定时器功能非常强大，使用频率也很高，共有3个通用定时器和1个高级定时器，将直流电机的3个传感信号反相后接入定时器的3个输入通道，STM32通过检测输出信号的上升沿和下降沿来控制电机的换向。4系统软件设计
系统主程序流程下图所示，上电，开始后，系统先进行电路的初始化，载入原始数据，然后开始循环扫描，根据不同的标志位中断处理不同的中断程序（如接收上位机数据、电机异常、通信异常等），否则继续进行中断等待。
系统主程序流程图
5转子设计
转子是电机的核心部分，转子结构主要分为外转子结构和内转子结构。对于内转子结构来说，主要分为内置式和表贴式。转子在电机中的处于旋转状态，通过轴这一部件安装且固定在机座上，转子内部有磁钢，磁钢是电机的一部分，电流在绕组线圈的作用下，产生旋转磁场，形成磁电动力旋转扭矩，从而驱动转子转动，本转子内的磁钢采用方型结构，每个圆周截面上分布十个磁钢，每个圆周截面上每相邻磁钢为36度，在垂直于圆周的方向上每列分布4个磁钢，共计40个磁钢，从而保证产生较大的转矩，磁钢是利用永磁材料做成，本电机设计采用钕铁硼磁钢，钕铁硼磁钢具有高矫顽性及耐高温性、高剩磁密度，能够保证电机稳定运行。
6定子设计
定子冲片叠加构成定子，定子上设有绕组线圈，所述绕线组线圈在定子上均匀分布，定子铁芯和绕组线圈构成定子，定子的作用是产生磁场，定子铁芯是定子的主要磁路，也是定子绕组线圈的安装及固定器件，定子铁芯采用装配式压入机壳，定子通常由硅钢片组成，硅钢片是含碳量很低的薄钢板，硅钢片中硅的存在会提高电阻率，从而减小因交变磁势而引起的涡流。定子铁芯内圈嵌入均匀分布的绕组线圈，每相邻两个绕组线圈之间的夹角为30度，共十二个绕组线圈，绕组线圈由较软的材料制成，绕组线圈一般匝数较多，较为复杂，因此要严格控制绕组线圈和各相之间的对称性，绕组线圈外通常设有槽绝缘，绕组的绝缘结构需满足耐热、耐辐射、耐压性的要求，以保证电机正常并稳定安全的工作，本电机槽绝缘共有十二个，均匀分布于转子圆周外表面，每相邻两个槽绝缘为30度。
结束语
本文设计了无刷直流电机的控制系统，该系统采用STM32单片机为核心控制器。结果表明，系统的控制误差小，精度高，速度快，能耗低，具有一定的推广价值。
参考文献：
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