摘要：作為機電一體化電機產品，無刷直流電機具有較好的可控性和寬調速范圍，應用極其廣泛，根據其控制系統的特點，分析和討論了無刷直流電機的控制系統，設計并實現了基于STM32F103ZET6控制器的無刷直流電機控制系統。運用該芯片的GPIO模塊、PWM模塊和定時器模塊等，并加入高效的PID算法，實現了無刷直流電機的啟動停止控制、位置檢測和閉環調速三大主要功能。實驗結果證明，此控制系統成本較低廉，運行效果良好，性價比較高。

　　關鍵詞：無刷直流電機;STM32F103ZET6;控制系統;PID算法

　　1 概述

　　隨著電子技術的發展，新型機電一體化電機即無刷直流電機出現了，它是現代電機技術、電子技術和控制理論相結合的產物。由于市場需要的增長，無刷直流電機廣泛應用于自動化裝置，航空航天，汽車，電子消費，醫療設備，辦公自動化及日常生活等各領域。無刷直流電機(即BLDCM)可想象成一個定轉子倒置的直流電動機，其中永久磁性在轉子上，而繞線在定子上。相對于有刷直流電機，該電機沒有電刷和換向器的火花、磨損問題，不需要經常維護。具有高轉速、高效率、高可靠性、能耗低、噪音低、壽命超長、可伺服控制、簡單易用和較低成本的特點。這些優點使得它得到迅速的發展和普及，現在已經成為最具有發展前途的電機產品[1] 。

　　按照無刷直流電機的工作原理，電子開關的換相取決于轉子磁極位置信號，目前主要有兩類技術能夠得到轉子位置信號。第一類技術是采用無位置傳感器的控制技術，其核心內容是通過間接的轉子位置信號的檢測，代替直接用轉子位置傳感器獲取轉子位置磁極信號。事實上，無位置傳感器控制技術是從軟件和硬件控制兩方面著手，增加了控制的復雜性而降低電機結構復雜性。位置檢測方法及電路主要包括：反電動勢過零點法，反電動勢比較法、3次諧波反電動勢檢測法、反電動勢積分檢測法，續流二極管法等等[1] 。

　　第二類技術是通過安裝位置傳感器獲取轉子信號，比如霍爾元件，該技術被廣泛采用。利用三個霍爾器件(圓周空間配置有兩個方案：相互間隔 60 度或間隔 120 度)，轉子每旋轉 60 度(120度)電度角，則某個霍爾器件改變其狀態，那么與之相對應的逆變器內的某一相的開關狀態隨著更新變化一次，如此開關狀態變化六次(或稱六步)就完成了一個電氣周轉，霍爾器件輸出響應的“0”和“1”兩種狀態的方波，從而判斷轉子繞組的位置[7-8] 。霍爾傳感器具有尺寸小、質量輕、制造成本低、方便大規模生產等多個優點，符合本設計的設計需求，本系統中采用霍爾傳感器來測量轉子的位置信息[9] 。

　　2 系統設計

　　無刷直流電機(BLDCM)由三相定子和轉子組成，定子繞組感應磁場與轉子磁場相互作用產生力矩使電機轉動。控制無刷電機轉動，必須知道轉子的當前位置，本文控制系統中采用霍爾傳感器來測量轉子的位置信息，由3個霍爾元件產生的電平的時序來判斷此刻的轉子位置，并對相應的定子繞組進行通電。每一次換相都會有一組繞組處于正向通電，第二組繞組反向通電，另外一組不通電，由此驅動電機轉動[1][7] 。

　　2.1 系統硬件實現

　　2.1.1 器件選擇系統以 STM32F103ZET6(以下簡稱 STM32)為主控芯片， STM32具有豐富的PWM通道、高級定時器和AD轉換通道，適合用于電機控制的設計。在實際使用過程中，若要使用某模塊功能，只要配置好相應的模塊寄存器就行，并不需要編寫復雜的相應程序，如此就可以使用主要精力提高硬件電路性能，遇到運行過程中出現的問題，可以進行方便及時的調試和維護[11-14] 。另外，該芯片外部引腳豐富，本系統只使用了少量引腳，其他部分可留做更多擴展功能的開發應用。

　　2.1.2 硬件功能設計

　　本控制系統由電源部分，驅動電路，STM32 微控制器，位置、速度檢測，計算機串口通信等組成。STM32可以處理采集收回的電流和位置信號等各種數據，實現BLDCM的控制算法，以及輸出無刷電機旋轉所需要的脈沖信號，主控芯片STM32則根據給定的指令生成相應的PWM脈沖信號，以此控制驅動系統的開關時間，使無刷直流電機的轉速達到預期值。

　　(1)驅動電路驅動部分選用芯片A4931，它是一款完善的三相無刷直流電機的前置驅動器，該設備可驅動多種N溝道的功率場效應晶體管(MOSFET)。支持的馬達供電電壓高達30V。換相邏輯由相隔120度三個霍爾元件的輸入信號決定。還帶有三路霍爾元件輸入用于控制觸發邏輯，并且具備轉子鎖定保護功能。 A4931輸出電流的大小取決于外部MOSFET的容量。轉子鎖定保護檢測延時由連至CLD引腳的外部電容來設置。ENABLE， DIRECTION，BRAKE 輸入可用于控制電機的轉速，位置與轉矩。提供兩種電流控制方式，即可采用外部信號，通過 EN⁃ ABLE輸入腳對MOSFET進行PWM控制，也可利用芯片內建的 PWM 電流調節器實現。由于 A4931 具備同步整流特性，無論采用哪種電流控制方式，都能確保在電流衰減時開通適當的 MOSFET，避免無謂的功率損耗。下面簡單介紹幾個主要控制引腳的功能及用法。

　　(2)位置、速度檢測電路正交編碼器，又名增量式編碼器或光電式編碼器，可以對多種電機實現閉環控制，用于檢測運動系統的位置和速度。它是直接利用光電轉換原理每轉過單位角度就輸出一個脈沖信號，通常為A、B和Z相輸出。A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖信號，根據延遲關系可以區別正反轉，即如果A 相超前B 相，那么電機的旋轉方向就是正向的。如果A相落后B相，那么電機的旋轉方向就是反向的，Z相稱為索引脈沖，每轉一圈產生一個脈沖，作為基準用來確定絕對位置。

　　2.2系統軟件實現系統程序主要由硬件初始化，位置檢測，換相，速度檢測，速度 PID 調節等組成。硬件初始化主要是初始化要用到的 GPIO端口，中斷控制，PWM模塊，定時器TIM等。位置檢測主要是通過單片機IO口檢測編碼器輸出脈沖信號來確定轉子的位置信息，只要設定需要的圈數和轉速，通過串口通信，就能夠控制電機在預定轉速下完成預定的圈數后自動停下來。換相是經過檢測單片機IO口霍爾電平狀態來計算轉子位置，并根據當前轉子的位置信息改變電流流向。同時間隔一段時間讀取預定的轉速，并轉換成相應占空比的PWM信號對無刷電機進行調速控制，保證系統良好的靜態特性和動態特性，為了滿足實時性控制要求，程序大部分在中斷中調用。

　　3 結論

　　實驗結果表明，本文中控制系統能夠實現對無刷直流電機的相關控制，結合精確的PID算法，能夠很好地控制電機的轉速，且運行穩定。通過串口通信，使得該系統具有良好的啟動停止、換相、調速特性，無刷直流電機運行穩定可靠。使用 STM32設計無刷直流電機的驅動控制系統，系統程序精簡，硬件設計結構簡單，成本較低，系統可靠性高，有較高實用性，可推廣使用。經過長時間的實踐證明，本系統相關器件的設計是合理的。最終結論：系統方案具有可行性、實用性，且安全可靠。

　　參考文獻：

　　[1] 譚建成.永磁無刷直流電機技術[M].機械工業出版社,2011.

　　[2] 周武,普清明,尚重陽.無刷直流電動機的反電動勢積分法位置檢測技術研究[J].工礦自動化,2009(8):63-65.

　　[3] 李聲晉,馬暉,盧剛,等.基于反電勢積分補償法的無刷直流電動機控制[J].微特電機，2008,06:37-39.

　　《無刷直流電機驅動系統設計研究》來源：《電腦知識與技術》，作者：金浩然，孫祥娥。