直流无刷电机控制系统设计与实现

2.3硬件系统方案论证

为了能够实现无刷直流电机的可靠运转、无极调速等一系列的优点，需要选择合适的元器件来满足本课题设计的需求。 2.3.1 控制器芯片选型

对直流无刷电机控制所用微处理器的选型要重点考虑以下几个方面： （1）微处理器的运行频率和运算速度得满足控制系统要求

（2）微处理器片内资源是否足够，主要是I/O口的数量和电平兼容性、A/D路数及位数。

（3）微处理器的体积、工作温度等是否满足系统要求。

（4）微处理器的可靠性、生产厂商、数量和价格、上市时间等因素也需要考虑，这关系到产品的后续更新换代，以及采用该处理器开发的难易程度。

基于ARM Corte-M3内核32位单片机STM32，时钟频率最大可达72MHZ，在数字处理上经过了优化，所以本设计选用STM32F103ZET6单片机。 2.3.2 无刷直流电机的选型

在选用直流无刷电机的时候，必须根据它的参数来判断其驱动电路，无刷电机的参数如表1所示：

表1 无刷直流电机的参数

外转无刷电机 A2212/13 KV1000 KV 最大效率电流 4~10A 无负载流/10v 0.5A 最大电流 最大轴径重电阻 尺寸（mm） 效率y （mm） 量 3.17 47g 90m? 27.5*30 12A/60s 80% 新西达无刷电机/2212KV1000 如图2。

图2 直流无刷电机

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2.3.3驱动电路的选型

智能功率模块选择的是FSBB30CH60C，它把驱动电路和开关电路集成在了一起，内部有欠压、过压、过流故障检测电路，CPU可以进行实时的检测。还包括三个HVIC、一个LVIC(门极驱动低压集成电路)、六个先进技术的IGBT、六个FRD。智能功率模块的元器件图如图3所示。

图3 智能功率模块

2.3.4位置检测器件选型

反电势过零点检测原理是模拟中性点和端电压的值相等得到，由STM32端口和连接霍尔传感器接口的关系，需用三路比较电路，LM339N由四路比较电路组成，可选用LM339N 比较电路实现。LM339N内部框图如图4所示：

图4 比较器LM339N

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3控制系统的工作原理和硬件设计

3.1直流无刷电机的工作原理

本设计选用的电机类型为三相星型连接。控制器产生六路PWM波控制驱动电路，位置检测用的反电势过零点技术。工作原理如图5所示。

图5 直流电机工作原理图

在图5中，当转子顺时针转到（a）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机输出信号让T1、T6 导通。这时电流从电源正极流出，经T1流往A相绕组，再由B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子转过60电角度，即到（b）时，反电势过零信号延时30°电角度后，输出的信号送往单片机，单片机让T1、T2导通，这时电流从电源的正极流出，经T1流往A相绕组，再由C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时由于定子和转子磁场的相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。同样按照这个方式，电机可以顺利的转动起来。

电机有六种磁状态，每种状态导通120度，每次由两相导通，无刷电机就是两相导通星型三相六状态的工作方式[3]。

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3.2无刷电机的反电势法位置检测原理

观察转子位置和反电势之间的关系如图6所示，转子状态由a)变为b)过程中反电势波形和转子位置之间的关系，反电势波形为B相绕组的反电势，当转子由a）初始状态转过30°电角度时，转子的磁场方向正好和B相绕组轴线重合，不切割B相绕组导线，此时B相绕组的反电势正好为零。由图可知，由b)到c)要进行换相动作，因此可利用反电势过零点确定转子的位置，进而控制电机的换相，这就是直流无刷无感电机反电势检测及控制换相的原理[4]。

图6 电机反电势位置检测图

3.3电源模块

由于STM32F103所需供电电压是3.3V，图7是把5V转换成3.3V电压的电路。

图7 STM32103的供电电源

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