基于STM32的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制

1、 電動(dòng)摩托車控制器中的電機(jī)PWM調(diào)速摘要：隨著“低碳”社會(huì)理念的深入，新型的電動(dòng)摩托車發(fā)展迅速，逐漸成為人們主要的代步工具之一，由于直流無刷電機(jī)的種種優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)摩托車中也得到了廣泛應(yīng)用，因此，本文控制部分主要介紹一種基于STM32F103芯片的新型直流無刷電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，這里主要通過PWM技術(shù)來進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速控制，且運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，成本低，具有深遠(yuǎn)的意義。1. 總體設(shè)計(jì)概述1.1 直流無刷電機(jī)及工作原理直流無刷電機(jī)（簡稱BLDCM），由于利用電子換向取代了傳統(tǒng)的機(jī)械電刷和換向器，使得其電磁性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，既保持了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)又避免了直流電機(jī)因電刷而引起的缺陷 ，因此，被

2、廣泛應(yīng)用。另外，由于直流無刷電機(jī)專用控制芯片價(jià)格昂貴，本文介紹了一種基于STM32的新型直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，既可降低直流無刷電機(jī)的應(yīng)用成本，又彌補(bǔ)了專用處理器功能單一的缺點(diǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和發(fā)展前景。工作原理：直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，其轉(zhuǎn)子為永磁體，而定子則為三個(gè)按照星形連接方式連接起來的線圈，根據(jù)同步電機(jī)的原理，如果電子線圈產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，則永磁體的轉(zhuǎn)子也會(huì)隨著這個(gè)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)因此，驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的根本是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，而這個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場可以通過調(diào)整A、B、C三相的電流來實(shí)現(xiàn)，其需要的電流如圖1所示隨著我國經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)速

3、，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動(dòng)門、自動(dòng)門鎖、自動(dòng)窗簾、自動(dòng)給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場合。1.2 總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖1所示。ADC模塊電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路霍爾傳感器STM32F103圖1 總體方案系統(tǒng)框圖該方案主要運(yùn)行狀況如下：通過摩托車車把的轉(zhuǎn)動(dòng)來改變其機(jī)械位置，然后這個(gè)變量通過ADC轉(zhuǎn)換后，傳送其調(diào)速信號給STM32F103，另外，霍爾傳感器將其對電機(jī)速度的檢測信號也傳送給STM32，在STM32中，首先根據(jù)ADC的值改變PWM波形，并且與霍爾傳感器的檢測信號進(jìn)行疊

4、加，最終輸出疊加后的PWM波形給功率驅(qū)動(dòng)電路，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)并對其進(jìn)行速度的控制和調(diào)節(jié)。2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 總體硬件框圖系統(tǒng)的硬件電路選用STM32F103為主控芯片，作為電機(jī)控制的核心，通過霍爾位置傳感器檢測位置信號，結(jié)合功率驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 此外，還有電流檢測電路可根據(jù)電機(jī)的狀態(tài)以調(diào)整轉(zhuǎn)速和實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能 系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示： STM32F103功率驅(qū)動(dòng)電路BLDCM PWM電流檢測三相控制霍爾檢測圖2 系統(tǒng)硬件框圖2.2 電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)是將直流有刷電機(jī)的機(jī)械換向改進(jìn)成電子換向而來的，要使其轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須通過電子換向的方法調(diào)整電流，按照轉(zhuǎn)子所在的位置

5、產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)磁場，主控芯片控制H半橋驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向電流，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率晶體管或MOSFET管，所以單從原理上講，驅(qū)動(dòng)電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。但隨著開關(guān)工作頻率的提高，驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得越來越重要。驅(qū)動(dòng)電路的最佳驅(qū)動(dòng)特性應(yīng)具有：功率管開通時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流應(yīng)有快速的上升沿，并一開始有一定的過沖，以加速開通過程，并在集電極電流尖峰時(shí)開啟驅(qū)動(dòng)基極，從而減小開通損耗；功率管導(dǎo)通期間，驅(qū)動(dòng)電路提供的基極電流在任何負(fù)載情況下都能保證功率管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使功率管的飽和壓降較低，以保證低的導(dǎo)通

6、損耗；關(guān)斷瞬時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的反向基極驅(qū)動(dòng)，以迅速抽出基區(qū)的剩余載流子，并加反偏截止電壓，使集電極電流迅速下降以減少下降時(shí)間。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，STM32 輸出的6路PWM信號首先必須經(jīng)隔離再送到IR2136進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于開關(guān)速度達(dá)到20KHz左右，故設(shè)計(jì)中選用高速光耦器件HCPL4504，見圖3，其最高速度可達(dá)1Mbits，內(nèi)部的噪聲抑制電路可提供高于15kVus的共模抑制。IR2136是IR公司的一款功率MOSFET、IGBT專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，獨(dú)有的I-IVIC(High voltage integrated circuit)技術(shù)使得它可用作驅(qū)動(dòng)工作在母線電壓高達(dá)600V

7、的電路中的功率MOS器件。其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)電路僅需輸入一個(gè)直流電源，使其實(shí)現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，并且它還具有完善的保護(hù)功能包括欠壓保護(hù)和過流保護(hù)，以便保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作。故本文選用IR2136作為主功率部分的MOSFET驅(qū)動(dòng)，如圖3所示：圖3中經(jīng)IR2136驅(qū)動(dòng)的6路PwM信號被直接送到由6個(gè)MOSFET管組成的主功率電路。如圖所示，該功率驅(qū)動(dòng)采用三相全控電路，電動(dòng)機(jī)的三相繞組為Y型聯(lián)結(jié)。MOSFET管選用IR公司的IRFZ48，該管導(dǎo)通電阻較低，當(dāng)連續(xù)流過10A電流時(shí)，功耗才12w，根本不需要散熱片就可以穩(wěn)定工作。圖3 功率驅(qū)動(dòng)電路2.3 直流

8、無刷電機(jī)的調(diào)速直流無刷電機(jī)調(diào)速的原理就是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，將驅(qū)動(dòng)電流由PWM 信號來控制，改變PWM 信號的脈沖寬度，即通過調(diào)節(jié)MOSFET通斷的時(shí)間來調(diào)節(jié)提供給電機(jī)三相的電流大小，從而對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。本方案中MOSFET管的導(dǎo)通是通過STM32的PWM 信號來控制的, STM32內(nèi)部的普通的定時(shí)器TIM3和TIM4，每個(gè)可以產(chǎn)生四路PWM發(fā)生器，這里用TIM3產(chǎn)生4路，TIM4產(chǎn)生兩路，共六路可編程的PWM信號，驅(qū)動(dòng)H橋 。直流無刷電機(jī)的電子換向是基于轉(zhuǎn)子的位置來控制的，本系統(tǒng)采用3個(gè)霍爾傳感器對直流無刷電機(jī)進(jìn)行位置測量 霍爾傳感器安裝在電機(jī)的內(nèi)部，將轉(zhuǎn)子的位置轉(zhuǎn)換為三路數(shù)字信號直

9、接輸出到STM32的GPIO口 在本設(shè)計(jì)中可方便地用于通過檢測霍爾位置傳感器的信號來實(shí)現(xiàn)檢測轉(zhuǎn)子的位置，然后據(jù)此輸出相應(yīng)的PWM信號控制功率管的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)電流的換向，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。另外，車把轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)通過一個(gè)DA轉(zhuǎn)換，然后得到調(diào)速的標(biāo)志flag的值，從而根據(jù)這個(gè)flag值來改變PWM波的占空比，從而進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速。直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)三個(gè)霍爾傳感器的信號值和輸出的PWM信號之間的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示圖4 相位與PWM信號的對應(yīng)關(guān)系霍爾傳感器的位置反饋信號在可以確定轉(zhuǎn)子位置的同時(shí)，也可用來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速 電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，每個(gè)霍爾傳感器即會(huì)產(chǎn)生兩次換向，三

10、個(gè)霍爾傳感器共會(huì)有6次換相，這六次換相之間的時(shí)間差即為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間，繼而可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速 根據(jù)計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整PWM信號的脈沖寬度，從而達(dá)到調(diào)速的目的3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)編程部分工作在keil4開發(fā)環(huán)境下完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序作為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成PWM脈寬調(diào)速的控制。STM32F103資源分配如下表：表1 芯片的資源分配GPIOD4霍爾傳感器輸出端GPIOA6 利用定時(shí)器TIM3，TIM4產(chǎn)生的六路PWM輸出GPIOA7GPIOD5GPIOB0GPIOB1GPIOD6GPIOB6GPIOB71. PWM產(chǎn)生程序：本設(shè)計(jì)中采用STM32F1

11、03的定時(shí)器TIM3，TIM4兩個(gè)定時(shí)器來產(chǎn)生PWM波形，程序函數(shù)如下：#include timer.h /通用定時(shí)器中斷初始化/這里時(shí)鐘選擇為APB1的2倍，而APB1為36M/arr：自動(dòng)重裝值。/psc：時(shí)鐘預(yù)分頻數(shù)/這里使用的是定時(shí)器3void Timerx_Init(u16 arr,u16 psc)RCC-APB1ENR|=1ARR=arr; /設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值/剛好1ms TIM3-PSC=psc; /預(yù)分頻器7200,得到10Khz的計(jì)數(shù)時(shí)鐘/這兩個(gè)東東要同時(shí)設(shè)置才可以使用中斷TIM3-DIER|=1DIER|=1CR1|=0x01; /使能定時(shí)器3 MY_NVIC_Init

12、(1,3,TIM3_IRQChannel,2);/搶占1，子優(yōu)先級3，組2 void PWM1_1_Init(u16 arr1,u16 psc1) /此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置RCC-APB1ENR|=1CRL&=0XF0FFFFFF;/PA6輸出GPIOA-CRL|=0X0B000000;/復(fù)用功能輸出 GPIOA-ODR|=1ARR=arr1;/設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值 TIM3-PSC=psc1;/預(yù)分頻器不分頻TIM3-CCMR1|=7CCMR1|=1CCER|=1CR1=0x8000; /ARPE使能 TIM3-CR1|=0x01; /使能定時(shí)器3 void PWM1_2_Init(u1

13、6 arr2,u16 psc2) /此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置RCC-APB1ENR|=1CRL&=0X0FFFFFFF;/PA7輸出GPIOA-CRL|=0XB0000000;/復(fù)用功能輸出 GPIOA-ODR|=1ARR=arr2;/設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值 TIM3-PSC=psc2;/預(yù)分頻器不分頻TIM3-CCMR1|=7CCMR1|=1CCER|=1CR1=0x8000; /ARPE使能 TIM3-CR1|=0x01; /使能定時(shí)器3 void PWM1_3_Init(u16 arr3,u16 psc3) /此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置RCC-APB1ENR|=1CRL&=0XFFFFF

14、FF0;/PB0輸出GPIOB-CRL|=0X0000000B;/復(fù)用功能輸出 GPIOB-ODR|=1ARR=arr3;/設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值 TIM3-PSC=psc3;/預(yù)分頻器不分頻TIM3-CCMR2|=7CCMR2|=1CCER|=1CR1=0x8000; /ARPE使能 TIM3-CR1|=0x01; /使能定時(shí)器3 void PWM1_4_Init(u16 arr4,u16 psc4) /此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置RCC-APB1ENR|=1CRL&=0XFFFFFF0F;/PB1輸出GPIOB-CRL|=0X000000B0;/復(fù)用功能輸出 GPIOB-ODR|=1ARR=a

15、rr4;/設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值 TIM3-PSC=psc4;/預(yù)分頻器不分頻TIM3-CCMR2|=7CCMR2|=1CCER|=1CR1=0x8000; /ARPE使能 TIM3-CR1|=0x01; /使能定時(shí)器3 void PWM2_1_Init(u16 arr5,u16 psc5) /此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置RCC-APB1ENR|=1CRL&=0XF0FFFFFF;/PB6輸出GPIOB-CRL|=0X0B000000;/復(fù)用功能輸出 GPIOB-ODR|=1ARR=arr5;/設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值 TIM4-PSC=psc5;/預(yù)分頻器不分頻TIM4-CCMR1|=7CCMR1|

16、=1CCER|=1CR1=0x8000; /ARPE使能 TIM4-CR1|=0x01; /使能定時(shí)器4 void PWM2_2_Init(u16 arr6,u16 psc6) /此部分需手動(dòng)修改IO口設(shè)置RCC-APB1ENR|=1CRL&=0X0FFFFFFF;/PB7輸出GPIOB-CRL|=0XB0000000;/復(fù)用功能輸出 GPIOB-ODR|=1ARR=arr6;/設(shè)定計(jì)數(shù)器自動(dòng)重裝值 TIM4-PSC=psc6;/預(yù)分頻器不分頻TIM4-CCMR1|=7CCMR1|=1CCER|=1CR1=0x8000; /ARPE使能 TIM4-CR1|=0x01; /使能定時(shí)器4 2、霍爾

17、傳感器部分的程序#include huoer.hvoid huoer_Init(void)RCC-APB2ENR|=1CRL&=0XF000FFFF; /PD4,5,5設(shè)置成輸入 GPIOD-CRL|=0X08880000; GPIOD-ODR|=1ODR|=1ODR|=16; /PD6上拉3、延時(shí)程序#include #include delay.hstatic u8 fac_us=0;/us延時(shí)倍乘數(shù)static u16 fac_ms=0;/ms延時(shí)倍乘數(shù)/初始化延遲函數(shù)/SYSTICK的時(shí)鐘固定為HCLK時(shí)鐘的1/8/SYSCLK:系統(tǒng)時(shí)鐘void delay_init(u8 SYSCL

18、K)SysTick-CTRL&=0xfffffffb;/bit2清空,選擇外部時(shí)鐘 HCLK/8fac_us=SYSCLK/8; fac_ms=(u16)fac_us*1000; /延時(shí)nms/SysTick-LOAD為24位寄存器,所以,最大延時(shí)為:/nms=0xffffff*8*1000/SYSCLK/對72M條件下,nmsLOAD=(u32)nms*fac_ms;/時(shí)間加載(SysTick-LOAD為24bit)SysTick-VAL =0x00; /清空計(jì)數(shù)器SysTick-CTRL=0x01 ; /開始倒數(shù) dotemp=SysTick-CTRL;while(temp&0x01&!(

19、temp&(1CTRL=0x00; /關(guān)閉計(jì)數(shù)器SysTick-VAL =0X00; /清空計(jì)數(shù)器 /延時(shí)nus/nus為要延時(shí)的us數(shù). void delay_us(u32 nus)u32 temp; SysTick-LOAD=nus*fac_us; /時(shí)間加載 SysTick-VAL=0x00; /清空計(jì)數(shù)器SysTick-CTRL=0x01 ; /開始倒數(shù) dotemp=SysTick-CTRL;while(temp&0x01&!(temp&(1CTRL=0x00; /關(guān)閉計(jì)數(shù)器SysTick-VAL =0X00; /清空計(jì)數(shù)器 4、主程序#include #include sys.h#

20、include delay.h#include timer.h #include huoer.hint main(void) u8 flag; /DA轉(zhuǎn)換過來的調(diào)速標(biāo)志 Stm32_Clock_Init(9); /系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置delay_init(72); /延時(shí)初始化 PWM1_1_Init(900,0); /不分頻。PWM頻率=72000/900=8KhzPWM1_2_Init(900,0);PWM1_3_Init(900,0);PWM1_4_Init(900,0);PWM2_1_Init(900,0);PWM2_2_Init(900,0); while(1) switch(flag)ca

21、se 0: PWM1_VAL=900; PWM2_VAL=900; PWM3_VAL=900; PWM4_VAL=900; PWM5_VAL=900; PWM6_VAL=900; break;case 1: if(huoer1=1)&(huoer3=0) PWM1_VAL=300; else PWM1_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer2=1) PWM2_VAL=300; else PWM2_VAL=900; if(huoer2=0)&(huoer3=1) PWM3_VAL=300; else PWM3_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer3=1) P

22、WM4_VAL=300; else PWM4_VAL=900; if(huoer1=1)&(huoer2=0) PWM5_VAL=300; else PWM5_VAL=900; if(huoer2=1)&(huoer3=0) PWM6_VAL=300; else PWM6_VAL=900; break; case 2: if(huoer1=1)&(huoer3=0) PWM1_VAL=350; else PWM1_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer2=1) PWM2_VAL=350; else PWM2_VAL=900; if(huoer2=0)&(huoer3=1) P

23、WM3_VAL=350; else PWM3_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer3=1) PWM4_VAL=350; else PWM4_VAL=900; if(huoer1=1)&(huoer2=0) PWM5_VAL=350; else PWM5_VAL=900; if(huoer2=1)&(huoer3=0) PWM6_VAL=350; else PWM6_VAL=900; break;case 3: if(huoer1=1)&(huoer3=0) PWM1_VAL=400; else PWM1_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer2=1) PW

24、M2_VAL=400; else PWM2_VAL=900; if(huoer2=0)&(huoer3=1) PWM3_VAL=400; else PWM3_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer3=1) PWM4_VAL=400; else PWM4_VAL=900; if(huoer1=1)&(huoer2=0) PWM5_VAL=400; else PWM5_VAL=900; if(huoer2=1)&(huoer3=0) PWM6_VAL=400; else PWM6_VAL=900; break; case 4: if(huoer1=1)&(huoer3=0) PW

25、M1_VAL=450; else PWM1_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer2=1) PWM2_VAL=450; else PWM2_VAL=900; if(huoer2=0)&(huoer3=1) PWM3_VAL=450; else PWM3_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer3=1) PWM4_VAL=450; else PWM4_VAL=900; if(huoer1=1)&(huoer2=0) PWM5_VAL=450; else PWM5_VAL=900; if(huoer2=1)&(huoer3=0) PWM6_VAL=450; els

26、e PWM6_VAL=900; break;case 5: if(huoer1=1)&(huoer3=0) PWM1_VAL=500; else PWM1_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer2=1) PWM2_VAL=500; else PWM2_VAL=900; if(huoer2=0)&(huoer3=1) PWM3_VAL=500; else PWM3_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer3=1) PWM4_VAL=500; else PWM4_VAL=900; if(huoer1=1)&(huoer2=0) PWM5_VAL=500; else

27、 PWM5_VAL=900; if(huoer2=1)&(huoer3=0) PWM6_VAL=500; else PWM6_VAL=900; break;case 6: if(huoer1=1)&(huoer3=0) PWM1_VAL=550; else PWM1_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer2=1) PWM2_VAL=550; else PWM2_VAL=900; if(huoer2=0)&(huoer3=1) PWM3_VAL=550; else PWM3_VAL=900; if(huoer1=0)&(huoer3=1) PWM4_VAL=550; else PWM4_VAL=900; if(huoer1=1)&(huoer2=0) PWM5_VAL=550; else PWM5_VAL=900; if(huoer2=1)&(huoer3=0) PWM6_VAL=550; else PWM6_VAL=900; break; case 7: if(huoer1=1)&(huoer3=0) PWM1_VAL=600; else PWM1_VAL=900; if(huoer1=0