摘要：作为机电一体化电机产品，无刷直流电机具有较好的可控性和宽调速范围，应用极其广泛，根据其控制系统的特点，分析和讨论了无刷直流电机的控制系统，设计并实现了基于STM32F103ZET6控制器的无刷直流电机控制系统。运用该芯片的GPIO模块、PWM模块和定时器模块等，并加入高效的PID算法，实现了无刷直流电机的启动停止控制、位置检测和闭环调速三大主要功能。实验结果证明，此控制系统成本较低廉，运行效果良好，性价比较高。
关键词：无刷直流电机;STM32F103ZET6;控制系统;PID算法
1 概述
随着电子技术的发展，新型机电一体化电机即无刷直流电机出现了，它是现代电机技术、电子技术和控制理论相结合的产物。由于市场需要的增长，无刷直流电机广泛应用于自动化装置，航空航天，汽车，电子消费，医疗设备，办公自动化及日常生活等各领域。无刷直流电机(即BLDCM)可想象成一个定转子倒置的直流电动机，其中永久磁性在转子上，而绕线在定子上。相对于有刷直流电机，该电机没有电刷和换向器的火花、磨损问题，不需要经常维护。具有高转速、高效率、高可靠性、能耗低、噪音低、寿命超长、可伺服控制、简单易用和较低成本的特点。这些优点使得它得到迅速的发展和普及，现在已经成为最具有发展前途的电机产品[1] 。
按照无刷直流电机的工作原理，电子开关的换相取决于转子磁极位置信号，目前主要有两类技术能够得到转子位置信号。第一类技术是采用无位置传感器的控制技术，其核心内容是通过间接的转子位置信号的检测，代替直接用转子位置传感器获取转子位置磁极信号。事实上，无位置传感器控制技术是从软件和硬件控制两方面着手，增加了控制的复杂性而降低电机结构复杂性。位置检测方法及电路主要包括：反电动势过零点法，反电动势比较法、3次谐波反电动势检测法、反电动势积分检测法，续流二极管法等等[1] 。
第二类技术是通过安装位置传感器获取转子信号，比如霍尔元件，该技术被广泛采用。利用三个霍尔器件(圆周空间配置有两个方案：相互间隔 60 度或间隔 120 度)，转子每旋转 60 度(120度)电度角，则某个霍尔器件改变其状态，那么与之相对应的逆变器内的某一相的开关状态随着更新变化一次，如此开关状态变化六次(或称六步)就完成了一个电气周转，霍尔器件输出响应的“0”和“1”两种状态的方波，从而判断转子绕组的位置[7-8] 。霍尔传感器具有尺寸小、质量轻、制造成本低、方便大规模生产等多个优点，符合本设计的设计需求，本系统中采用霍尔传感器来测量转子的位置信息[9] 。
2 系统设计
无刷直流电机(BLDCM)由三相定子和转子组成，定子绕组感应磁场与转子磁场相互作用产生力矩使电机转动。控制无刷电机转动，必须知道转子的当前位置，本文控制系统中采用霍尔传感器来测量转子的位置信息，由3个霍尔元件产生的电平的时序来判断此刻的转子位置，并对相应的定子绕组进行通电。每一次换相都会有一组绕组处于正向通电，第二组绕组反向通电，另外一组不通电，由此驱动电机转动[1][7] 。
2.1 系统硬件实现
2.1.1 器件选择系统以 STM32F103ZET6(以下简称 STM32)为主控芯片， STM32具有丰富的PWM通道、高级定时器和AD转换通道，适合用于电机控制的设计。在实际使用过程中，若要使用某模块功能，只要配置好相应的模块寄存器就行，并不需要编写复杂的相应程序，如此就可以使用主要精力提高硬件电路性能，遇到运行过程中出现的问题，可以进行方便及时的调试和维护[11-14] 。另外，该芯片外部引脚丰富，本系统只使用了少量引脚，其他部分可留做更多扩展功能的开发应用。
2.1.2 硬件功能设计
本控制系统由电源部分，驱动电路，STM32 微控制器，位置、速度检测，计算机串口通信等组成。STM32可以处理采集收回的电流和位置信号等各种数据，实现BLDCM的控制算法，以及输出无刷电机旋转所需要的脉冲信号，主控芯片STM32则根据给定的指令生成相应的PWM脉冲信号，以此控制驱动系统的开关时间，使无刷直流电机的转速达到预期值。
(1)驱动电路驱动部分选用芯片A4931，它是一款完善的三相无刷直流电机的前置驱动器，该设备可驱动多种N沟道的功率场效应晶体管(MOSFET)。支持的马达供电电压高达30V。换相逻辑由相隔120度三个霍尔元件的输入信号决定。还带有三路霍尔元件输入用于控制触发逻辑，并且具备转子锁定保护功能。 A4931输出电流的大小取决于外部MOSFET的容量。转子锁定保护检测延时由连至CLD引脚的外部电容来设置。ENABLE， DIRECTION，BRAKE 输入可用于控制电机的转速，位置与转矩。提供两种电流控制方式，即可采用外部信号，通过 EN⁃ ABLE输入脚对MOSFET进行PWM控制，也可利用芯片内建的 PWM 电流调节器实现。由于 A4931 具备同步整流特性，无论采用哪种电流控制方式，都能确保在电流衰减时开通适当的 MOSFET，避免无谓的功率损耗。下面简单介绍几个主要控制引脚的功能及用法。
(2)位置、速度检测电路正交编码器，又名增量式编码器或光电式编码器，可以对多种电机实现闭环控制，用于检测运动系统的位置和速度。它是直接利用光电转换原理每转过单位角度就输出一个脉冲信号，通常为A、B和Z相输出。A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲信号，根据延迟关系可以区别正反转，即如果A 相超前B 相，那么电机的旋转方向就是正向的。如果A相落后B相，那么电机的旋转方向就是反向的，Z相称为索引脉冲，每转一圈产生一个脉冲，作为基准用来确定绝对位置。
2.2系统软件实现系统程序主要由硬件初始化，位置检测，换相，速度检测，速度 PID 调节等组成。硬件初始化主要是初始化要用到的 GPIO端口，中断控制，PWM模块，定时器TIM等。位置检测主要是通过单片机IO口检测编码器输出脉冲信号来确定转子的位置信息，只要设定需要的圈数和转速，通过串口通信，就能够控制电机在预定转速下完成预定的圈数后自动停下来。换相是经过检测单片机IO口霍尔电平状态来计算转子位置，并根据当前转子的位置信息改变电流流向。同时间隔一段时间读取预定的转速，并转换成相应占空比的PWM信号对无刷电机进行调速控制，保证系统良好的静态特性和动态特性，为了满足实时性控制要求，程序大部分在中断中调用。
3 结论
实验结果表明，本文中控制系统能够实现对无刷直流电机的相关控制，结合精确的PID算法，能够很好地控制电机的转速，且运行稳定。通过串口通信，使得该系统具有良好的启动停止、换相、调速特性，无刷直流电机运行稳定可靠。使用 STM32设计无刷直流电机的驱动控制系统，系统程序精简，硬件设计结构简单，成本较低，系统可靠性高，有较高实用性，可推广使用。经过长时间的实践证明，本系统相关器件的设计是合理的。最终结论：系统方案具有可行性、实用性，且安全可靠。
参考文献：
[1] 谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社,2011.
[2] 周武,普清明,尚重阳.无刷直流电动机的反电动势积分法位置检测技术研究[J].工矿自动化,2009(8):63-65.
[3] 李声晋,马晖,卢刚,等.基于反电势积分补偿法的无刷直流电动机控制[J].微特电机，2008,06:37-39.
《无刷直流电机驱动系统设计研究》来源：《电脑知识与技术》，作者：金浩然，孙祥娥。
