用ST72141實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制

   摘要：意法半導(dǎo)體的ST72141是專門用在無刷直流電機(jī)（BLDC）控制的單片機(jī)。內(nèi)部包含意法半導(dǎo)體自有的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)專利技術(shù)，專門用于電機(jī)控制的片內(nèi)外設(shè)，大大減少了電機(jī)控制系統(tǒng)的成本，簡(jiǎn)化了電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

    關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)（BLDC） 單片機(jī) 電機(jī)控制

引 言

1 概 述

　　ST72141是ST公司專門用于同步電機(jī)控制的一款單片機(jī)，特別適合3相無刷直流電機(jī)的控制。無刷直流電機(jī)可用于工業(yè)控制、汽車電子產(chǎn)品、電冰箱、空調(diào)、壓縮機(jī)和風(fēng)扇等產(chǎn)品。無刷直流電機(jī)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(zhǎng)。

　　ST72141是ST7微控制器家族產(chǎn)品中的一員。它包括A/D轉(zhuǎn)換和SPI接口，有專門用于無刷直流電機(jī)控制的片內(nèi)外設(shè)，可選擇帶傳感器模式和不帶傳感器模式。

　　ST7片內(nèi)的電機(jī)控制電路可看成是一個(gè)脈寬調(diào)制多路復(fù)用器。它有6路輸出和1個(gè)用在無刷直流電機(jī)不帶傳感器控制時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)檢測(cè)電路。

ST72141的電機(jī)控制外設(shè)有4個(gè)主要的部分：

◇ 去磁結(jié)束和反電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)的檢測(cè)電路；

◇ 延遲管理電路；

◇ PWM管理電路（需要PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)）；

◇ 通道管理電路。

ST72141在無刷直流電機(jī)中的典型應(yīng)用如圖1所示。

圖2 6步長(zhǎng)120度的驅(qū)動(dòng)模式

2 無刷直流電機(jī)的基本原理

　　 無刷直流電機(jī)包含2個(gè)同軸的磁性電樞：外部電樞，即固定的定子；內(nèi)部電樞，即可動(dòng)的轉(zhuǎn)子。定子是電機(jī)的引導(dǎo)部分；轉(zhuǎn)子是電機(jī)的感應(yīng)部分。無刷直流電機(jī)內(nèi)部電樞的轉(zhuǎn)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(jī)是同步電機(jī)。無刷永磁體直流電機(jī)是同步電機(jī)，定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度相同。

　　反電動(dòng)勢(shì)是使用ST72141在不帶傳感器模式下驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)。反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、流過轉(zhuǎn)子的磁通和相應(yīng)繞組的轉(zhuǎn)子數(shù)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(diào)節(jié)力矩；電壓模式下可以調(diào)節(jié)速度，設(shè)置力矩限閾值（即電流的閾值）。

3 ST72141用于無刷直流電機(jī)控制

　　圖2為采用6個(gè)步長(zhǎng)的電機(jī)控制原理圖。

　　ST72141中的電機(jī)控制是基于標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)半橋6個(gè)步長(zhǎng)控制原理。

　　T1、T3、T5是電機(jī)A、B和C繞組相的上端晶體管。

　　T2、T4、T6是電機(jī)A、B和C繞組相的下端晶體管。

　　在步長(zhǎng)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(fù)向的。這時(shí)C相繞組沒有施加電源。

　　無刷模式下，使用ST72141控制電機(jī)，可以讀取這個(gè)沒有施加電源的相繞組反電動(dòng)勢(shì)（這里以繞組相C為開始的步長(zhǎng)1）。通過讀取這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，可以確定轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。

圖4 事件時(shí)序示意圖

　　如圖3所示，反電動(dòng)勢(shì)和相繞組的電流同方向時(shí)，效率最佳。

　　ST72141可以有2種不同的驅(qū)動(dòng)模式：電壓模式和電流模式。電流模式下，通過改變電機(jī)的參考電流而改變力矩的大小（因?yàn)榱睾碗娏鞒烧龋?。電流的控制是通過PWM來調(diào)整的。電壓模式下，通過改變電機(jī)的參考電壓來改變速度。這種模式不是直接控制電流，但設(shè)置了電流的最高限制，即力矩可達(dá)的最大值。電壓的控制也是通過改變PWM周期來實(shí)現(xiàn)的。

　　電機(jī)速度的調(diào)整使用閉環(huán)實(shí)現(xiàn)。ST72141內(nèi)部有2個(gè)速度調(diào)整回路。第1個(gè)回路是自動(dòng)換向時(shí)效率的調(diào)整回路。這個(gè)回路使得反電動(dòng)勢(shì)和相繞組的電流信號(hào)同方向。第2個(gè)回路是速度調(diào)整回路，可使電機(jī)維持在設(shè)定的速度。

　　ST72141對(duì)電機(jī)控制基于3個(gè)事件的處理：反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)事件（Z事件）、換向（C事件）、 向繞組去磁結(jié)束（D事件），如圖4所示。

　　去磁結(jié)束和反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)是物理事件，但是換向事件是通過ST72141計(jì)算得來的，也就是計(jì)算過零點(diǎn)事件和下一個(gè)換向之間的延遲時(shí)間。如果速度加快，過零點(diǎn)事件將更早發(fā)生，延遲必須減小以使反電動(dòng)勢(shì)和相繞組的電流同方向。

　　ST72141的電機(jī)控制外設(shè)總是以相同的次序處理這3個(gè)事件：Z事件在計(jì)算的延遲之后產(chǎn)生C事件，然后等待D事件。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到一定的連續(xù)Z事件后進(jìn)入自動(dòng)換向模式。

圖5 過零點(diǎn)事件檢測(cè)原理

　　ST72141中，Z事件（過零點(diǎn)）和D事件（去磁結(jié)束）的檢測(cè)由相同的外設(shè)部分處理。這些信號(hào)通過ST72141的MCIA，MCIB和MCIC三個(gè)引腳輸入。過零點(diǎn)事件（Z事件）檢測(cè)的原理如圖5所示。

　　圖5所示為電機(jī)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(shì)的窗口打開。在T1關(guān)閉時(shí)，電流流經(jīng)續(xù)流二極管，A點(diǎn)為地。假設(shè)A相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為Ea，B相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為Eb，C相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為Ec。當(dāng)Ec過零點(diǎn)時(shí)，有Ea=-Eb，這樣N處為零電勢(shì)。這就意味著可以不需要虛擬地就可以獲得需要的反電動(dòng)勢(shì)的信息。反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)事件通過輸出比較器獲得，無傳感器模式時(shí)，一定頻率的PWM信號(hào)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)注的是過零點(diǎn)）。這里的分析同樣適應(yīng)于電機(jī)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(hào)，另一個(gè)輸入是一個(gè)門檻電壓（通過軟件可選擇0.2、0.6、1.2和2.5V）。ST72141等待C相繞組的反電動(dòng)勢(shì)到達(dá)選擇的閾值電壓。PWM信號(hào)施加在T1上，當(dāng)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(shì)就可以檢測(cè)到到達(dá)這個(gè)閾值的時(shí)間點(diǎn)。

　　檢測(cè)去磁結(jié)束事件的方法和過零點(diǎn)事件相同，并使用相同的外設(shè)。電機(jī)控制按照固定的順序處理這三個(gè)事件，Z事件后經(jīng)過一段延遲，產(chǎn)生一個(gè)C事件，然后等待一個(gè)D事件。

圖6 去磁結(jié)束事件

　　在換向之后，開始相繞組加速去磁。為了避免過早地檢測(cè)去磁結(jié)束事件，換向之后有20μs的濾波時(shí)間，如圖6所示。為了避免檢測(cè)去磁結(jié)束事件太晚，去磁結(jié)束的檢測(cè)使用相同的比較器，但是取樣頻率是800kHz。

　　無傳感器模式下，比較器的輸出取樣頻率在過零點(diǎn)事件時(shí)是PWM信號(hào)，在去磁結(jié)束事件檢測(cè)時(shí)是800kHz。

4 電機(jī)的啟動(dòng)和控制舉例

　　這里以2個(gè)極對(duì)數(shù)的電機(jī)的啟動(dòng)為例。電機(jī)啟動(dòng)后目標(biāo)速度是1400r/min。啟動(dòng)電機(jī)之前，必須預(yù)先固定位置。剛啟動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)太弱，不能讀取。讀取反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)前的過程中，電流必須提供>(負(fù)載力矩＋摩擦力矩＋電機(jī)的慣性負(fù)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)過程中必須高于一般運(yùn)行下需要的值。

　　一定步長(zhǎng)后，為了檢測(cè)到過零點(diǎn)事件，需要一個(gè)特別的方法啟動(dòng)電機(jī)，稱為同步（強(qiáng)制換向）模式，或者稱為電機(jī)根據(jù)加速表加速的過程。

圖7 啟動(dòng)過程

　　一定的步長(zhǎng)之后，施加連續(xù)逐漸增加的步長(zhǎng)時(shí)間和電流給電機(jī)，使電機(jī)加速，并可檢測(cè)到一個(gè)過零點(diǎn)事件。電機(jī)加速過程中檢測(cè)指定數(shù)量連續(xù)的Z事件之后，開始調(diào)整，使得電機(jī)高效率運(yùn)行，即電機(jī)進(jìn)入自動(dòng)換向模式。如果在加速表取完后，電機(jī)還不能進(jìn)入自動(dòng)換向模式下，電機(jī)將停止。圖7所示為閉環(huán)模式下電機(jī)的啟動(dòng)過程。

　　開環(huán)模式下的啟動(dòng)過程也一樣，只是電流或者電壓在電機(jī)進(jìn)入自動(dòng)換向模式之后可以由用戶改變。閉環(huán)模式下，電流或者電壓的限值由用戶強(qiáng)制施加且固定，直到電機(jī)進(jìn)入速度調(diào)整。進(jìn)入速度調(diào)整后，電流不再由用戶控制（ST72141自動(dòng)調(diào)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(diào)整回路啟動(dòng)。電機(jī)在單片機(jī)的控制下，固定運(yùn)行在速度表決定的速度上。