基于STM32的BLDC控制器设计

基于STM32的BLDC控制器设计

摘要：众所周知，当下是一个科技渗入生活的时代，高科技产品遍布在家庭、工业各个领域，当今社会的电力电子技术和现代控制理论的发展到现在都较为成熟了，也就不可避免的需要控制器对各种电机进行管理和控制，由此对电机的控制和应用成为了人们越来越关注的研究内容。意法半导体公司的STM32芯片具有成本低、效率高、集成度高等优点，且适合高性能、低输出的嵌入式系统领域，所以采用STM32芯片进行无刷直流电机的控制器设计能非常好的提高系统的性能。本课题进行的是无刷电机的控制器设计，包括无刷直流电机的基本构造、工作原理、调试验证等理论进行了分析和论述。用Altium design软件进行了硬件设计，并设定参数。利用Keil软件作为该课题的软件开发环境，本课题设计了基于STM32的BLDC的控制器，经过最后的验证和调试，实验结果表明设计的霍尔传感器转子位置检测可以很好的电机的反电势过零信号。

关键词：STM32;BLDC.

摘要： ii

Abstract: II

第一章绪论 1

1.1背景与意义 1

1.2国内外研究情况 1

（1）无刷直流电机发展历程 1

(2)无刷直流电机研究现状 3

(3) 研究方向 3

第二章 BLDC电机运行原理介绍 5

2.1 BLDC电机构造 5

（1）定子 5

（2）转子 6

（3）霍尔传感器 7

2.2工作原理 7

第三章硬件核心电路设计 9

3.1六臂全桥式电路 9

3.2比较器电路 9

3.3开关电路、LED显示灯电路 10

3.4反电动检测电路 10

3.5电路最终方案展示 11

第四章STM32控制程序设计 12

4.1电流检测 12

4.2定时器延时与PWM信号 13

（1）定时器T0的溢出中断程序 13

（2）利用T0延时 13

（3）脉冲宽度调制(PWM)信号的产生 14

（4）STM32的高级定时器设置 20

第五章验证与测试 21

5.1设置参数值 21

5.2 keil_mdk工程文件及代码的实现 22

（1）在includes.h文件中加入PWM.H头文件。 22

（2）在PWM.h头文件里增加宏定义 22

（3)霍尔传感器代码的实现 23

5.3综合测试 24

第六章总结与展望 26

致谢 28

参考文献 30

第一章绪论

1.1背景与意义

电动机（Motors）是一种机械能和电能之间进行转换的装置，它能把电能转化成机械能。第三次工业革命到现在，电力一直是人类生活、生产的重要能源，由此电机的应用范围十分广泛。它的原理是通电的线圈会产生磁场、再将其放到某一磁场中就会受到磁场和磁场之间的作用力而产生转动。电动机如果要分类的话，可以分成两个大类：直流电机、交流电机。一般在电力系统中使用的电动机类型大多数选用的是交流电动机。在这篇文章里的研究采用的是直流电机：无刷直流电机（Brushless DC Motor,BLDCM）。无刷直流电机的发展是在日益发展的电子技术、电机控制技术的进步和永磁材料的更新基础上发展起来的。无刷直流电动机的动态响应速度快，运行的效率也比老式的有刷直流电机提高了很多，由于电子换向所以减少了电刷换相的机器磨损，减降低了电机本体的损耗，由此可以知道电子换相能增加电动机的使用期限，降低噪声的作用也十分明显。由于没有了机械磨损的摩檫力因素，调速性能也比有刷直流电机强了不少。正是因为如此，无刷直流电动机的发展好与有刷电动机也是在情理之中的。因此无刷直流电机无刷直流电机逐渐推广到汽车、医疗、家电、航空及工业自动化等各个领域。且目前看来，其发展前景依旧非常广阔。

1.2国内外研究情况

（1）无刷直流电机发展历程

现在世界，电能是到处可以见到、接触到、用到的二次能源，电机是一种机电能量转换装置，经过第二次工业革命到现在的发展，其应用范围早已遍及社会的各个角落和领域。直流电动机和电动机的设计原理很相似，由于前者的效率比后者有明显提高，由此直流电机开始被大量制造出来用于生产和日常生活中。直流电机最早出现是在1831年法拉第最先发现电磁感应定律的时候，而无刷电动机最早出现是美国有研究学者首次申请可以用晶体管换相电路来替换机械电刷换向的专利的时候。在国际上，德国西门子研究出了效率更高、性能更好的直流发电机，同时开始了对利用电动机来驱动车辆的研究，有了这些科研学者的一步步研究，都很大程度上推进了直流电动机的发展。那个时候的电动机大多是用的直流电动机。当下社会，科技不断发展，稀土资源的开发使得永磁新材料发展起来，而这直接的促进了无刷直流电机的磁体材料的更新；微电子技术和控制技术的日益进步也直接提升了电动机的控制能力；还有大功率的开关技术的发展对无刷直流电动机发展的促进作用也是不可忽视的。无刷直流电动机的概念慢慢变得宽泛了起来，不再单一的指利用电子换向技术的无刷直流电动机了，而是可以直接泛指只要是电子换向的直流电动机，即使具有有刷直流电动机的外表特征也没事。直流电动机之所以能在各大领域得到如此广大的应用还是得因为其优秀的转矩特性。虽然如此，一般的直流电动机需要机械换相，要利用电刷换向，机械得磨损很大，这就决定了必须得经常维护，而且有刷电机在换相时，噪声非常大，还会产生电磁干扰，由此影响了直流电动机在某些特殊场合的进一步应用。

如今的电动机的物理基础要追述到十九世纪三十年代法拉第首先发现了电磁感应现象，在19世纪40年代的时候，世界第一台直流电动机被成功研发出来。由上述的有刷直流电动机的众多不足，从本世纪30年代左右开始，一些科研者开始研究利用电子换向的、不用电刷换相的无刷直流电机。由此，在无数科研人员的不辞辛劳的研究下方波无刷直流电机、正弦波无刷直流电动机接二连三的问世。发展到现在，无刷直流电动机得到了很好的发展。当下社会，科技不断发展，稀土资源的开发使得永磁新材料发展起来，而这直接的促进了无刷直流电机的磁体材料的更新；微电子技术和控制技术的日益进步也直接提升了电动机的控制能力；这些技术的发展对无刷直流电动机发展的促进作用也是不可忽视的。

说了国际上的无刷直流电机的发展也来说说我国的，目前来看，我国对直流无刷直流电动机的研究和应用处在一个加快的开展阶段。为了推进无刷直流电动机的商品化、普及化。目前，我国早已经制订了无刷直流电动机的通用规范以推进我国的无刷直流电动机的研究有章可循。

(2)无刷直流电机研究现状

目前来说国内外对无刷直流电动机的控制技术已经比较成熟了。电子电力技术的快速发展促进了永磁无刷直流电动机这类新型电动机的发展，无刷直流电机克服了有刷电动机的机械换向的众多不足。最早被社会广泛使用的电机多为有刷直流电动机，有刷电机的调速性能好，但是在上文中已经提到有刷直流电机有诸多缺点，而且机电转换效率比较低，这就使后来科学家为了避免这些缺点研究出了无刷直流电动机，无刷直流电动机因运而生。

近几年稀土永磁材料发展迅速，其优质的特性为永磁无刷直流电动机的发展提供了更多的机会。我国已经制订了GJB163无刷直流电机的通用规范，我国在几十瓦到几百瓦的小功率范围内的无刷直流电机的发展方向己经从科研转向生产，如上海微电机研究所的无刷直流力矩电机、上海交通大学研制的卫星上专用的PM BDCM。但美国于日本具有较先进的无刷直流电机的制造和控制技术。美国在军事工业方面的运用更加先进，日本在民用方面的发展尤为突出。

国际上在无刷直流电动机的大功率这一块的发展就比较领先了，工业级的无刷直流电动机功率已经达到了七百瓦到九万一千瓦的范围。无刷直流电动机的生产应用也有较大的发展，特别是美国，无刷直流电机在各个领域的发展各都占有一席之地。

(3) 研究方向

在电动机本体这一面：在调速范围广、低转速、高精度的情况的时候，转矩波动是永磁无刷直流电动机的一个重大问题，所以目前减少转矩波动是我国内甚至国际上的研究人员对永磁无刷直流电动机的一大研究方向。如果要求在满足各项指标的前提下要使电动机的成本尽可能的低，转子的永磁材料的选取和磁钢的排列方法的选取等等都将进行新型优化性研究永磁电动机的漏磁现象的情况比较复杂，对电机的性能也有较大的影响，因此对永磁电动机漏磁场分布也一致是无刷直流电动机的一个研究方向。在电子线路方面：霍尔传感器这类位子传感器的作用终将被观测点电量的方法代替。要怎样对电势和电量进行数据采集，并通过控制电路对采得的数据进行处理，然后使电机能按照正常逻辑运转。为了无刷直流电机能向更先进的高度发展，可以进行对计算机技术的研究，还有对无刷直流电机的智能控制化等等都是当前永磁无刷直流电动机很重要的研究方向。对于霍尔位置传感器的研究，美国研究人员在霍尔特性的基础上又研制出一种新的观测装置。代替价格较高的光学编码器将霍尔传感器固定在定子上检测转子的位置,从而降低成本，还能提升检测的精度。

参考文献

[1] 刘军,张洋,严汉宇.原子教你玩STM32(寄存器版)[M].北京航空航天大学出版社.

[2] 贺虎成,刘卫国.无刷直流电机逆变器的软开关技术[M].北京：科学出版社.

[3] 欧阳骏,李英芬.疯狂STM32实战讲学录[M].中国水利水电出板社.

[4] 夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京：科学出版社.

[5] 王国宇.基于STM32的无刷直流电机控制系统设计及仿真研究[DB/OL].

[6] 袁先圣.STM32的无刷直流电机控制系统设计[DB/OL].

[7] 叶金虎.无刷直流电机[M].北京：科学出版社.

[8] 王静霞，杨宏丽，刘俐.单片机应用技术（C语言版）第三版[M].电子工业出版社,2015.