用ST72141实现无刷直流电机的控制_传感与控制论文
关键词：无刷直流电机（bldc） 单片机 电机控制
引 言
1 概 述
st72141是st公司专门用于同步电机控制的一款单片机，特别适合3相无刷直流电机的控制。无刷直流电机可用于工业控制、汽车电子产品、电冰箱、空调、压缩机和风扇等产品。无刷直流电机的优点是效率高、工作噪声低、体积小、可靠性好和寿命长。
st72141是st7微控制器家族产品中的一员。它包括a/d转换和spi接口，有专门用于无刷直流电机控制的片内外设，可选择带传感器模式和不带传感器模式。
st7片内的电机控制电路可看成是一个脉宽调制多路复用器。它有6路输出和1个用在无刷直流电机不带传感器控制时的反电动势零点检测电路。
st72141的电机控制外设有4个主要的部分：
◇ 去磁结束和反电动势零点的检测电路；
◇ 延迟管理电路；
◇ pwm管理电路（需要pwm信号来驱动电机）；
◇ 通道管理电路。
st72141在无刷直流电机中的典型应用如图1所示。
图2 6步长120度的驱动模式
2 无刷直流电机的基本原理
无刷直流电机包含2个同轴的磁性电枢：外部电枢，即固定的定子；内部电枢，即可动的转子。定子是电机的引导部分；转子是电机的感应部分。无刷直流电机内部电枢的转子是一个永磁体。这个电枢由恒流源供电。定子可以有多相（这里以3相为例）。电机是同步电机。无刷永磁体直流电机是同步电机，定子的磁场旋转速度和转子的机械旋转速度相同。
反电动势是使用st72141在不带传感器模式下驱动无刷直流电机的基础。反电动势和转子的转速、流过转子的磁通和相应绕组的转子数目成正比。
绕组产生的力矩大小与电流和磁通量成正比关系。
st72141提供2种控制方式：电压模式和电流模式。 电流模式下可以直接按比例调节力矩；电压模式下可以调节速度，设置力矩限阈值（即电流的阈值）。
3 st72141用于无刷直流电机控制
图2为采用6个步长的电机控制原理图。
st72141中的电机控制是基于标准的三个半桥6个步长控制原理。
t1、t3、t5是电机a、b和c绕组相的上端晶体管。
t2、t4、t6是电机a、b和c绕组相的下端晶体管。
在步长1时，相a为正向偏压，所以这个绕组中的电流是正向的；相b为反向偏压，所以这相绕组中的电流是负向的。这时c相绕组没有施加电源。
无刷模式下，使用st72141控制电机，可以读取这个没有施加电源的相绕组反电动势（这里以绕组相c为开始的步长1）。通过读取这个反电动势，可以确定转子的实际位置。
图4 事件时序示意图
如图3所示，反电动势和相绕组的电流同方向时，效率最佳。
st72141可以有2种不同的驱动模式：电压模式和电流模式。电流模式下，通过改变电机的参考电流而改变力矩的大小（因为力矩和电流成正比）。电流的控制是通过pwm来调整的。电压模式下，通过改变电机的参考电压来改变速度。这种模式不是直接控制电流，但设置了电流的最高限制，即力矩可达的最大值。电压的控制也是通过改变pwm周期来实现的。
电机速度的调整使用闭环实现。st72141内部有2个速度调整回路。第1个回路是自动换向时效率的调整回路。这个回路使得反电动势和相绕组的电流信号同方向。第2个回路是速度调整回路，可使电机维持在设定的速度。
st72141对电机控制基于3个事件的处理：反电动势过零点事件（z事件）、换向（c事件）、 向绕组去磁结束（d事件），如图4所示。
去磁结束和反电动势过零点是事件，但是换向事件是通过st72141计算得来的，也就是计算过零点事件和下一个换向之间的延迟时间。如果速度加快，过零点事件将更早发生，延迟必须减小以使反电动势和相绕组的电流同方向。
st72141的电机控制外设总是以相同的次序处理这3个事件：z事件在计算的延迟之后产生c事件，然后等待d事件。电机启动时，根据检测到一定的连续z事件后进入自动换向模式。
图5 过零点事件检测原理
st72141中，z事件（过零点）和d事件（去磁结束）的检测由相同的外设部分处理。这些信号通过st72141的mcia，mcib和mcic三个引脚输入。过零点事件（z事件）检测的原理如图5所示。
图5所示为电机控制的两种状态。在图5左部，绕组c已经去磁。在大约20μs之后，读取反电动势的窗口打开。在t1关闭时，电流流经续流二极管，a点为地。假设a相绕组的反电动势为ea，b相绕组的反电动势为eb，c相绕组的反电动势为ec。当ec过零点时，有ea=-eb，这样n处为零电势。这就意味着可以不需要虚拟地就可以获得需要的反电动势的。反电动势过零点事件通过输出比较器获得，无传感器模式时，一定频率的pwm信号加在t1上。c的电压被钳位二极管钳位在＋5v/0.6v（而需要关注的是过零点）。这里的分析同样适应于电机绕组为三角型连接。
比较器的一个输入是c相绕组的电压信号，另一个输入是一个门槛电压（通过软件可选择0.2、0.6、1.2和2.5v）。st72141等待c相绕组的反电动势到达选择的阈值电压。pwm信号施加在t1上，当t1关闭时，c相绕组的电压为地。因此，st72141只需要读取反电动势就可以检测到到达这个阈值的时间点。
检测去磁结束事件的方法和过零点事件相同，并使用相同的外设。电机控制按照固定的顺序处理这三个事件，z事件后经过一段延迟，产生一个c事件，然后等待一个d事件。
图6 去磁结束事件
在换向之后，开始相绕组加速去磁。为了避免过早地检测去磁结束事件，换向之后有20μs的滤波时间，如图6所示。为了避免检测去磁结束事件太晚，去磁结束的检测使用相同的比较器，但是取样频率是800khz。
无传感器模式下，比较器的输出取样频率在过零点事件时是pwm信号，在去磁结束事件检测时是800khz。
4 电机的启动和控制举例
这里以2个极对数的电机的启动为例。电机启动后目标速度是1400r/min。启动电机之前，必须预先固定位置。刚启动时，反电动势信号太弱，不能读取。读取反电动势信号前的过程中，电流必须提供>(负载力矩＋摩擦力矩＋电机的惯性负载的力矩)。故启动时，st72141定时器a的pwm占空比在启动过程中必须高于一般运行下需要的值。
一定步长后，为了检测到过零点事件，需要一个特别的方法启动电机，称为同步（强制换向）模式，或者称为电机根据加速表加速的过程。
图7 启动过程
一定的步长之后，施加连续逐渐增加的步长时间和电流给电机，使电机加速，并可检测到一个过零点事件。电机加速过程中检测指定数量连续的z事件之后，开始调整，使得电机高效率运行，即电机进入自动换向模式。如果在加速表取完后，电机还不能进入自动换向模式下，电机将停止。图7所示为闭环模式下电机的启动过程。
开环模式下的启动过程也一样，只是电流或者电压在电机进入自动换向模式之后可以由用户改变。闭环模式下，电流或者电压的限值由用户强制施加且固定，直到电机进入速度调整。进入速度调整后，电流不再由用户控制（st72141自动调整）。闭环控制模式下，不论是哪种控制模式（电流或者电压），速度调整回路启动。电机在单片机的控制下，固定运行在速度表决定的速度上。