用ST72141實(shí)現無(wú)刷直流電機的控制
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摘要：意法半導體的ST72141是專(zhuān)門(mén)用在無(wú)刷直流電機（BLDC）控制的單片機。內部包含意法半導體自有的反電動(dòng)勢檢測專(zhuān)利技術(shù)，專(zhuān)門(mén)用于電機控制的片內外設，大大減少了電機控制系統的成本，簡(jiǎn)化了電機控制系統的設計。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機（BLDC） 單片機 電機控制 引 言 1 概 述 ST72141是ST公司專(zhuān)門(mén)用于同步電機控制的一款單片機，特別適合3相無(wú)刷直流電機的控制。無(wú)刷直流電機可用于工業(yè)控制、汽車(chē)電子產(chǎn)品、電冰箱、空調、壓縮機和風(fēng)扇等產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機的優(yōu)點(diǎn)是效率高、工作噪聲低、體積小、可靠性好和壽命長(cháng)。 ST72141是ST7微控制器家族產(chǎn)品中的一員。它包括A/D轉換和SPI接口，有專(zhuān)門(mén)用于無(wú)刷直流電機控制的片內外設，可選擇帶傳感器模式和不帶傳感器模式。 ST72141的電機控制外設有4個(gè)主要的部分： ◇ 去磁結束和反電動(dòng)勢零點(diǎn)的檢測電路； ◇ 延遲管理電路； ◇ PWM管理電路（需要PWM信號來(lái)驅動(dòng)電機）； ◇ 通道管理電路。 ST72141在無(wú)刷直流電機中的典型應用如圖1所示。 無(wú)刷直流電機包含2個(gè)同軸的磁性電樞：外部電樞，即固定的定子；內部電樞，即可動(dòng)的轉子。定子是電機的引導部分；轉子是電機的感應部分。無(wú)刷直流電機內部電樞的轉子是一個(gè)永磁體。這個(gè)電樞由恒流源供電。定子可以有多相（這里以3相為例）。電機是同步電機。無(wú)刷永磁體直流電機是同步電機，定子的磁場(chǎng)旋轉速度和轉子的機械旋轉速度相同。 反電動(dòng)勢是使用ST72141在不帶傳感器模式下驅動(dòng)無(wú)刷直流電機的基礎。反電動(dòng)勢和轉子的轉速、流過(guò)轉子的磁通和相應繞組的轉子數目成正比。 繞組產(chǎn)生的力矩大小與電流和磁通量成正比關(guān)系。 ST72141提供2種控制方式：電壓模式和電流模式。 電流模式下可以直接按比例調節力矩；電壓模式下可以調節速度，設置力矩限閾值（即電流的閾值）。 圖2為采用6個(gè)步長(cháng)的電機控制原理圖。 ST72141中的電機控制是基于標準的三個(gè)半橋6個(gè)步長(cháng)控制原理。 T1、T3、T5是電機A、B和C繞組相的上端晶體管。 T2、T4、T6是電機A、B和C繞組相的下端晶體管。 在步長(cháng)1時(shí)，相A為正向偏壓，所以這個(gè)繞組中的電流是正向的；相B為反向偏壓，所以這相繞組中的電流是負向的。這時(shí)C相繞組沒(méi)有施加電源。 無(wú)刷模式下，使用ST72141控制電機，可以讀取這個(gè)沒(méi)有施加電源的相繞組反電動(dòng)勢（這里以繞組相C為開(kāi)始的步長(cháng)1）。通過(guò)讀取這個(gè)反電動(dòng)勢，可以確定轉子的實(shí)際位置。 ST72141可以有2種不同的驅動(dòng)模式：電壓模式和電流模式。電流模式下，通過(guò)改變電機的參考電流而改變力矩的大?。ㄒ驗榱睾碗娏鞒烧龋?。電流的控制是通過(guò)PWM來(lái)調整的。電壓模式下，通過(guò)改變電機的參考電壓來(lái)改變速度。這種模式不是直接控制電流，但設置了電流的最高限制，即力矩可達的最大值。電壓的控制也是通過(guò)改變PWM周期來(lái)實(shí)現的。 電機速度的調整使用閉環(huán)實(shí)現。ST72141內部有2個(gè)速度調整回路。第1個(gè)回路是自動(dòng)換向時(shí)效率的調整回路。這個(gè)回路使得反電動(dòng)勢和相繞組的電流信號同方向。第2個(gè)回路是速度調整回路，可使電機維持在設定的速度。 ST72141對電機控制基于3個(gè)事件的處理：反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)事件（Z事件）、換向（C事件）、 向繞組去磁結束（D事件），如圖4所示。 去磁結束和反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)是物理事件，但是換向事件是通過(guò)ST72141計算得來(lái)的，也就是計算過(guò)零點(diǎn)事件和下一個(gè)換向之間的延遲時(shí)間。如果速度加快，過(guò)零點(diǎn)事件將更早發(fā)生，延遲必須減小以使反電動(dòng)勢和相繞組的電流同方向。 ST72141的電機控制外設總是以相同的次序處理這3個(gè)事件：Z事件在計算的延遲之后產(chǎn)生C事件，然后等待D事件。電機啟動(dòng)時(shí)，根據檢測到一定的連續Z事件后進(jìn)入自動(dòng)換向模式。 圖5所示為電機控制的兩種狀態(tài)。在圖5左部，繞組C已經(jīng)去磁。在大約20μs之后，讀取反電動(dòng)勢的窗口打開(kāi)。在T1關(guān)閉時(shí)，電流流經(jīng)續流二極管，A點(diǎn)為地。假設A相繞組的反電動(dòng)勢為Ea，B相繞組的反電動(dòng)勢為Eb，C相繞組的反電動(dòng)勢為Ec。當Ec過(guò)零點(diǎn)時(shí)，有Ea=-Eb，這樣N處為零電勢。這就意味著(zhù)可以不需要虛擬地就可以獲得需要的反電動(dòng)勢的信息。反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)事件通過(guò)輸出比較器獲得，無(wú)傳感器模式時(shí)，一定頻率的PWM信號加在T1上。C的電壓被鉗位二極管鉗位在＋5V/0.6V（而需要關(guān)注的是過(guò)零點(diǎn)）。這里的分析同樣適應于電機繞組為三角型連接。 比較器的一個(gè)輸入是C相繞組的電壓信號，另一個(gè)輸入是一個(gè)門(mén)檻電壓（通過(guò)軟件可選擇0.2、0.6、1.2和2.5V）。ST72141等待C相繞組的反電動(dòng)勢到達選擇的閾值電壓。PWM信號施加在T1上，當T1關(guān)閉時(shí)，C相繞組的電壓為地。因此，ST72141只需要讀取反電動(dòng)勢就可以檢測到到達這個(gè)閾值的時(shí)間點(diǎn)。 檢測去磁結束事件的方法和過(guò)零點(diǎn)事件相同，并使用相同的外設。電機控制按照固定的順序處理這三個(gè)事件，Z事件后經(jīng)過(guò)一段延遲，產(chǎn)生一個(gè)C事件，然后等待一個(gè)D事件。 無(wú)傳感器模式下，比較器的輸出取樣頻率在過(guò)零點(diǎn)事件時(shí)是PWM信號，在去磁結束事件檢測時(shí)是800kHz。 4 電機的啟動(dòng)和控制舉例 這里以2個(gè)極對數的電機的啟動(dòng)為例。電機啟動(dòng)后目標速度是1400r/min。啟動(dòng)電機之前，必須預先固定位置。剛啟動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢信號太弱，不能讀取。讀取反電動(dòng)勢信號前的過(guò)程中，電流必須提供>(負載力矩＋摩擦力矩＋電機的慣性負載的力矩)。故啟動(dòng)時(shí)，ST72141定時(shí)器A的PWM占空比在啟動(dòng)過(guò)程中必須高于一般運行下需要的值。 一定步長(cháng)后，為了檢測到過(guò)零點(diǎn)事件，需要一個(gè)特別的方法啟動(dòng)電機，稱(chēng)為同步（強制換向）模式，或者稱(chēng)為電機根據加速表加速的過(guò)程。 開(kāi)環(huán)模式下的啟動(dòng)過(guò)程也一樣，只是電流或者電壓在電機進(jìn)入自動(dòng)換向模式之后可以由用戶(hù)改變。閉環(huán)模式下，電流或者電壓的限值由用戶(hù)強制施加且固定，直到電機進(jìn)入速度調整。進(jìn)入速度調整后，電流不再由用戶(hù)控制（ST72141自動(dòng)調整）。閉環(huán)控制模式下，不論是哪種控制模式（電流或者電壓），速度調整回路啟動(dòng)。電機在單片機的控制下，固定運行在速度表決定的速度上。 |
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