基于STM32的无刷直流电机驱动设计

摘要：本文提出了一种根据意法半导体开发的高性能STM32微处理器来设计无刷直流电动机系统的计划。特殊的功率驱动芯片IR2136是驱动部分的核心。完成了系统硬件、主控软件和上位机软件的设计。位置控制采用基于角位置信息融合的PD控制器技术。为了保护系统的运行，我们采取了一些保护措施，如过电压，过电流，过热，死机保护。试验表明系统能达到我们的要求并且响应良好。同时该系统可靠性还很高。

关键词：无刷直流电动机；STM32；IR2136；位置控制；信息融合

简介

随着技术的不断发展，无刷电机得到了迅速的发展。由于无刷电机具有无刷，低干扰，低噪音，运行平稳，寿命长，维修费用低，等优点，它在航空航天，医疗设备、家用电器和电动车领域有着广泛的应用，。无刷直流电机控制已经使用了以微处理器为核心的数字控制来代替模拟控制电路。生产高性能，运算速度快的微处理器，是设计满足现代工业应用中电机实时控制要求的控制器的目标。

STM32系列是意法半导体基于特别设计的ARM Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗嵌入式应用。其中断处理完全基于硬件，中断速度更快。STM32系列增强了对72mhz的时钟频率。因此，这个微处理器不仅有高速信号处理和数字控制的功能，还满足了实现无刷电机控制所需的外围设备。它的特点是数字处理器强大，如下：

1.25dmips/mhz，这使STM32控制器能提供比传统的16位微控制器与微处理器更好的性能。

具有一流外设，比如：1mu;s双12 ADC， 4 Mbit/s UART，18 Mbit/s SPI，和 I/O 18mhz翻转速度。低功耗：在时钟频率72MHz时消耗是36ma（所有外设激活）和2mu;A（待机期间）。

此外，它还具有控制电机的额外资源：包括一个高级控制定时器产生互补PWM波形的死区时间（TIM1和TIM8）。通用定时器TIM2可以作为“接口定时器”来连接霍尔传感器。这些STM32系列优秀的功能使得基于STM32的高性能无刷直流电机驱动系统得到发展和设计。

硬件设计

该系统的硬件设计为一个两层结构，划分为两大模块。下层为电源模块，上层是控制模块。每个模块电路设计在单独的电路板上，并且上下层可以相互连接。这种模块化设计方法使系统更换方便快捷，而且电源模块也可以设计成各种类型来驱动有刷电机，无刷电机等电机，同时还与控制模块兼容。通过更换5V开关电源供应，在宽电压范围（9V至36V）的外部直流电源支持可以实现。其功能框图如图1和图2所示。

电源设计

电气系统依靠稳定的供电系统可以正常工作。因为驾驶部分经常干扰控制部分，所以电机驱动控制的这两部分完全隔离。因此，必须要有不同的电源供应。可调输出电压LDO是用来给电源驱动芯片提供12v的直流电，独立开关电源把外部电源转换为一个5V直流电源，而固定输出LDO电源把5v电压转换为3.3V供应给CPU，外部闪存，和硬件看门狗。此外，高精度模拟电源给位置采集提供电压。每个电源模块的输入输出端子与滤波电容一起安装。

电机控制的实现

STM32系列高级定时器生成三对死区时间嵌入互补PWM信号驱动三相无刷直流电动机。PWM占空比和输出极性可以按需求自由变化。主要通过调节PWM的占空比来调节无刷直流伺服电机的转速。PWM载波频率的选择直接影响整个控制系统的性能。如果频率太高，抗干扰能力强，电机的噪声小，但电源开关消耗大。如果频率太低，功率管扫描的消耗会减少，但电机的运行性能低而且噪声大。因此，PWM载波频率范围一般在15kHz到30KHz的范围内。该系统采用18 kHz，而且PWM信号嵌入在1.38us死区，这些措施防止上下桥臂因开关管损坏干扰而同时接通。

本设计的驱动电路以特殊的驱动电源芯片IR2136为中心，从而将控制模块的PWM信号转换为另一个信号驱动三相逆变桥主电路中的6 个MOSFET器件；控制三相逆变桥把直流电压转换为三相直流电压U、V和W；并通过这样实现了仅仅通过输入直流电源来控制无刷电机运行的目的。

IR2136是一种特殊的三相桥驱动：三对独立的高侧和低侧输出通道；6路输出驱动脉冲的工作频率达到成千上万赫兹；一个死区时间；0.29us标准值。这个驱动的功能是在欠压和过电流时保护并说明过故障状态。它的输入端与 LSTTL和带有噪声滤波器的CMOS逻辑电路兼容。

信号隔离与信息采集

数字电路部分需要相对较低的工作电压和电流，而电源部分需要更高的电压和电流。如果这个高电压和大电流功率驱动部分进入数字电路，就会干扰数字电路，从而造成运行异常。为了确保正常工作，数字电路和功率驱动电路必须隔离和互相匹配。本系统主要采用光隔离TLP281实现隔离。它传输光电信号作为一种媒介，从而创造好的输入和输出信号的隔离。较强的抗干扰能力和快速响应，能够确保整个系统的可靠性。此外，输出电压可通过光隔离调整来满足后端电路的需要。

在本系统中调试的无刷直流电机的内部嵌入了三个霍尔位置传感器，每个之间相差120°。这个电机转子旋转时是一个永久磁铁，它产生的磁场也会旋转。每个霍尔传感器将产生一个180°的输出脉冲信号。来自三个霍尔传感器的输出信号也相差120°，由此产生了可在霍尔状态收集的六个信号，如下：0x05,0x04,0x06,0x02,0x03，和0x01。机械转动有六种状态，通过调整Hu, Hv, and Hw这三个霍尔信号线的顺序，这些状态的顺序可以改变。因此，高级计时器通过霍尔传感器提供的相序在开始时改变开关控制信号实现电机连续转动。

霍尔传感器输出信号不稳定、频繁产生干扰信号。因此，有必要在它进入CPU的信号采集单元之前过滤它。一个电容器和六个74HC04反相器就行了。这个传感器的输出信号在两次反转后被发送到CPU的信息采集单元，从而提高了抗干扰能力，实现了良好的过滤。

STM32定时器TIM2可以作为“接口定时器”连接霍尔传感器。该定时器有三个定时器输入引脚（CC1，CC2和CC3），通过一个异或门连接到TI1输入通道。“接口定时器”捕获信号。当这三个输入任意一个改变，新的计数器从0开始计数。这将产生一个由霍尔输入，电机转子位置和速度信息的任意改变引起的时间基准。

通过联轴器，电机的输出轴与旋转电位器相连。该电位器是由一个独立的高精度模拟电源供电。STM32内ADC电位采集器的刷子用于输出电压。因此，电机的绝对位置知道了。

其他部分

本系统配有一个232转换模块，422转换模块，以及CAN总线收发器模块，用于各种通信模式。CAN总线具有传输距离长，抗电磁干扰能力强，误差检测能力强，判定优先权等优点。因此，经过系统固化、封装，并固定实现电机位置控制后，该系统仅通过CAN总线就能够与主系统进行通信。

为了监控驱动芯片IR2136的欠压，过电流故障信号，本系统还具有以下保护功能：

（a）在直流电源输入中加入电流传感器，来监测总系统的电流；

（b）由外部直流电源给运算放大器供电来监测系统的外部电压使之在一个合理的范围；

（c）由于MOS管的电流过大和电压过高，通过加入温度传感器来监测系统的最高温度；

（d）增加由CPU管控的硬件看门狗，当一些程序错误和潜在的不利环境干扰等因素导致系统崩溃，该系统通过输入一个复位信号到CPU来完成自我调整。

该系统中加入了闪存芯片AT45DB161D。该芯片用于存储KP，KI，KD，和零位值的参数来实现在调试过程中读取系统启动初始化和写入。此外，它还可以在工作期间存储特殊信息用来方便以后的分析和维护。该系统监测并防护电压，电流和温度，同时还控制执行位置以确保系统的稳定性。对于无刷直流电机，可以采用单环位置控制方式通过下面的公式来进行静态误差计算和位置PD调节器的直接设计。

速度是测量的电机转速，Kp是比例系数，Kd是微分系数。当电机接近指定位置时，电机转速减少，从而导致微分环节没法发挥作用。此外，该电机的转速不能迅速降低到零，否则将导致电机超调。为了解决这个问题，被加入到了微分环节。与误差是相反的作用。这是用来当电动机靠近指定位置时增加差速减速环节的功能来防止超调减速。因为无刷电机工作电压在一定范围内，无刷电机的测量速度可以在Vmin~ Vmax 区域平稳变化。当电机未达到指定位置或达到了或速度较大时，为了使电动机连续转动，输出振幅应该被限制。

电机电流角位置的测量用的是信息融合技术。电机的相对旋转角度可以通过集成霍尔传感器输出，具有低测量噪声和快速响应特性，但可能会丢失一些步。在传输和模拟采集过程中，测量噪声和非线性的存在时电机输出轴驱动电位器可直接测量电机的绝对角位置。通过融合积分器的霍尔传感器输出和电位器测量值信息，在这些动态条件下可以大致上得到积分器的霍尔传感器输出。.因此，通过电位差计测量值可以改正长周期的位置。因此，可以获得低噪声，响应速度快，线性度好的电机电流角位置。

结果

该系统的原型是步和正弦响应测试。通过不断地调整Kp和Kd参数的值可以得到最佳反应模量应变曲线。正如两图所示，该系统具有良好的定位和以下能力。该系统可实现无超调或小超调，能顺利地跟随命令信号的正弦测试。

结论

测试结果显示，基于较好的的角位置信息融合技术的位置控制算法能明显的提高步和原型的正弦响应特性。完整的硬件和软件的保护措施也为原型可靠和稳定的工作打下坚实的基础。该系统的原型已成功应用于矢量发动机控制的无人驾驶项目。上述项目得到了良好的实验结果。

无刷直流电机速度自适应模糊控制器的设计与实现

摘要：本文介绍了一种无刷直流电机速度自适应模糊控制器的设计与实现。我们所推荐的系统使用的是常用变量的隶属函数基于误差幅度的模糊控制器。通过模拟分析模糊控制器与自适应模糊控制器的实验比较了它们的性能。自适应模糊控制器的性能参数比模糊控制器的好。一个基于嵌入式微控制器的自适应模糊控制器的设计被提了出来。

关键词：无刷直流电动机，模糊控制器，自适应模糊控制器，单片机。

引言

近年来，永磁无刷直流电机（PMBLDC）非常受欢迎，因为它的优点吸引着人们，比如高启动转矩，效率高，维护成本低，无需机械换向器，高速运转，体积小转矩比，能消除火花和电磁噪声干扰。

永磁无刷直流电机是直流电机的一次彻底改革。在没有换向器和电刷的情况下，同等尺寸的永磁无刷直流电机效率高于直流电动机，同时电机的长度减少。因此，电机的横向刚度增加，允许高速运行。功率电子转换器要求无刷直流电动机拓扑结构类似于PWM逆变器来用于感应电机驱动。

如今，无刷直流电动机应用于各个方面，比如国防，工业，机器人等，在这些应用中，需要精确控制的电机，以满足性能要。.经典控制器需要精确的数学系统模型，并只能在线性条件下执行好。由于永磁无刷直流电机是高度耦合的非线性多变量系统，很难得到其精确数学模型。因此，需要一个智能控制器，所以我们尝试开发基于永磁无刷直流电机的模糊控制器。

模糊逻辑控制器（FLC）确实是能够在无需数学模型系统的情况下为高性能驱动器提供高精度要求。FLC在不利用数学模型的情况下可容纳非线性模型。模糊逻辑控制器采用模糊逻辑设计方法论，可用于发展非线性嵌入式控制系统。FLC最重要的特征是简约而不密集数学设计要求。

模糊逻辑控制来自于1965Zadeh提出的模糊集理论。在模糊集理论中会员与非会员之间可以循序渐进。因此，模糊集的边界可以是不清楚的和不确定的，对近似系统有用。当没有精确的数学公式时，模糊逻辑控制器是一个有吸引力的选择。

图1显示了系统的框图，这个系统由无刷直流电机、六步逆变器，逆变器的栅极驱动器、模糊控制器和开关逻辑组成。由于参数变化和负载扰动，无刷直流电机必须使用闭环控制来获得良好的运行。无刷直流电机的定子上有三相绕组，转子上有永磁体。为了确定轴位置，必须要有转子位置传感器。传感器感知转子轴位置和信号。处理后的信号给出模糊控制器。控制器的输出用于为逆变器提供开关信号来控制电机速度。

模糊控制工具

PI控制器广泛应用于无刷直流电机控制，然而，当控制参数和加载条件迅速变化时，得不到满意的结果。但即使电机参数和负载扰动有变化，模糊逻辑控制器（FLC）仍然能保证稳定运行。显然，任何控制系统都将输入空间映射到输出空间。一般来说，计算所需的输出即给定一组的输入。这个数学计算表示用公式表现系统行为。然而，对于现实世界的问题，这个数学公式可能过于复杂。在这种情况下，模糊逻辑提供了有用的方法来创建一个实用的解决方案，用于控制复杂系统。设计一个FLC，没有必要知道复杂系统的精确模型。这足以理解系统的一般行为。模糊逻辑能使设计者能够用一个更容易的方式来表现系统的一般行为，因为它被允许使用单词和句子而不是数字和方程式。这是通过IF-THEN规则描述的系统特性。通过运用模糊控制器，可以实现高自动化程度和鲁棒非线性控制。

模糊控制器设计

无刷直流电机速度控制的目的是控制所施加的电压，以达到参考速度。误差由实际速度和参考速度的差来确定。为了降低误差，应该通过增加或减少功率晶体管的占空比来改变施加的电压。设计模糊控制器来完成这个任务。模糊控制器的输入是误差和误差的变化，而控制器的输出改变表现在占空比。带有25个规则的双输入单输出Mamdani型模糊控制器是为这项工作设计的。模糊控制器的设计包括三个步骤，模糊化，推理机制和反模糊化。

模糊化

模糊逻辑使用的是语言变量，而不是数值变量。将数值变量转换为语言变量的过程称为模糊化。五种语言变量在这项工作中使用，分别是：负大（NB），负小（NS），零（Z），正小（PS），正大（PB）。三角隶属函数分配给输入和输出变量定

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