关键词 无刷直流电机(BLDC) 单片机 电机控制
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1 ST72141典型的应用结构示意图
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。
图2 6步长120度的驱动模式
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。
如图3所示,反电动势和相绕组的电流同方向时,效率最佳。
图3 一个相绕组中的反电动势和电流波形
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。
图4 事件时序示意图
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。
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 过零点事件检测原理
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。
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。