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1、 2015届毕业生毕业论文题 目: 基于STM32的电动摩托车无刷直流电机控 制器的设计 2015 年 5 月 20 日 摘要 电动摩托车具有零排放、低噪声等许多优点,是现代绿色环保交通工具,由于比较方便、快捷,所以许多人选择它作为自己的出行工具，成为大中城市公共交通的补充。电动摩托车上一般用的都是无刷直流电机，所以电动摩托车控制器的质量非常重要。 本文首先介绍了无刷直流电机结构和换向原理，紧接着介绍了波脉宽调速原理直和流无刷电机的工作原理。然后做相关的电路图设计，主控芯片的选择、电流检测电路、霍尔位置传感器信号检测电路、电源转换与电压采样电路、电机驱动电路设计、刹车和调速电路设计、STM32
2、 芯片无刷电机控制接口电路，这些电路图设计是控制器的关键部分。接着叙述了软件部分的设计，主要包括：主程序的设计、过流保护、欠压保护、电制动程序等。通过输入程序可以改变PWM波的占空比，所以电枢电压的大小也可以调节，进而调节转速。 最后采用STM32单片机为控制核心,设计了电流检测保护电路、位置信号检测电路、电源转换电路、欠压保护电路等,由于单片机成本低、功能强大、运算能力强等优点,提高了控制系统的可靠性的同时,也降低了控制成本。我们不仅完成电机控制器的设计，同时也加深了相关知识的理解和联系。关键词： 无刷直流电机 、stm32、电路设计、目录1、绪论31.1电动车的现状31.2研究电动车的意义
3、41.3本论文的主要工作52无刷直流电机控制系统的设计52.1. 直流无刷电机的结构52.2 直流无刷电机的工作原理和控制方法72.3 单片机选型82.4 无刷直流电机选型123系统硬件电路的设计143.1硬件系统总体结构设计143.2电源电路设计143.3无刷直流电机霍尔位置传感器接口电路设计153.4 刹车和调速电路设计163.5过流保护电路173.6三相全桥驱动电路183.7 过压、欠压保护电路194系统软件设计224.1 系统整体软件设计234.2直流无刷电机控制的软件设计244.3系统各部分功能在软件中的实现274.4 STM32检测霍尔信号和输出PWM软件设计285.总结和展望30
4、致 谢31参考文献32附录331、绪论1.1电动车的现状 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快,机动车保有量逐渐增加,环境污染也因此越来越严重,所以寻找低排放的技术和可再生资源称为一个重要课题。新型能源的交通工具的出现符合社会发展的需求。汽油摩托车作为现代化的交通工具,虽然有它的好处与优点，但是摩托车所产生的废气和消耗的汽油,造成了一系列问题，比如城市环境污染和能源紧缺。在这种情况下,发展电动摩托车便是一个重要的方向，它的推广应用和技术开发便是目前一个重要议程。 电动摩托车以蓄电池作为能源，它具有操作简便、舒适方便、污染小等优点。可以作为广大市民代步工具,它是很合适的绿色环保交通工具,是大
5、中城市公共交通的补充。是一种值得推广的交通工具，得到越来越多的人的青睐,具有广阔的市场前景。 电动摩托车主要包括两个技术方面,蓄电池技术和电动机技术。 电池是电动摩托车的重要组成部分,它的发展程度高低直接决定电动摩托车的技术水平。近写些年来,电池技术发展速度相当迅速,密封免维护铅酸电池、镍氢电池、燃料电池等可谓百花齐放,在制造工艺上有了重大改进,在材料特性上取得较大的发展,在研究上出现重大突破,让人们看到了美好的前景。 电动机是电动摩托车的一个重要组成部分,目前在电动摩托车行业内,直流电机的应用范围更加广泛。主要有有刷高速电机和无刷低速电机。有刷高速电机这种电机控制系统简单、成本低、系统可靠性
6、高,但是由于需要换向器整流子和电刷,存在着机械磨损,影响电机的使用效率。由于无刷低速电机没有电刷和传动齿轮,所以它不存在电刷的机械磨损,在运行中几乎没有噪音。所以不需要经常对电刷进行维护和替换，减少了运行成本。1.2研究电动车的意义 电动车的发展可以缓解大气污染，随着电池技术和电力电子技术的发展，很多国家争先研发电动车。由于能源危机的显露，石油资源的日趋枯竭、全球温度上升、大气的严重污染，人类必须改善目前的不断恶化的生活环境，因此寻找替代能源，发展电动车是人类的必由之路。发展电动车的重大意义:促使我国能源结构得到较好的优化，虽然。我们知道电的来源多种多样，火力、水力、风力、地热、潮汐、核能都可
7、以发电等，电动车的推广可以优化能源生产结构，发展电动车可以保障我国经济发展的能源安全，它有利于减少温室气体和其它有害气体的排放，符合可持续发展战略。推广电动车可以减少温室气体的排放量，有效缓解大气污染。发展电动车是大势所趋。 总之，发展电动车是利国利民的好事，有利于节约能源、环境保护、提高就业率，所以发展电动车是一个具有十分重大的意义工程，也是可持续发展战略的伟大创举。1.3本论文的主要工作 本论文考虑到电动摩托车无刷直流驱动电机的结构特点,设计硬件电路的控制系统，有刷电机和无刷电机的通电原理不一样，他们的内部构造也不相同。无刷直流电机分为带霍尔传感器和无霍尔传感器，目前很多关于无刷直流电机控
8、制器的研究的文章，为无刷直流电机的控制奠定了理论基础，如带霍尔传感器的无刷直流电机驱动原理、电流采样原理等。 本论文中STM32 芯片不仅性能高同时它的成本与功耗比较低，STM32 能够完成复杂的PWM输出，由于它内部具有高级的定时器，例如死区时间设定、刹车功能、等都可以通过软件设定，它不需要在搭建复杂的外围电路。考察目前无刷直流电动机控制器的生产方案，设计出低成本性能优良的电动摩托车无刷直流电动机控制器，满足相关技术指标符合基本要求。对一个无刷直流电机控制器设计进行深入的分析，探究把虚拟仿真设计运用到现实产品中设计，缩短开发周期和降低开发成本，对加速电动车的推广普具有重要的意义。 在本论文中
9、主要做以下内容，熟悉无刷直流电机控制器的工作原理。比较现在无刷直流电机控制器的方案的优缺点，选择最佳方案。设计适合自己需要的控制电路。把控制电路通过软件仿真进行验证设计。寻找适合于的开关电源并设计电源给芯片系统供电。2无刷直流电机控制系统的设计2.1. 直流无刷电机的结构 我们先了解一下直流有刷电机的结构，会发现无刷直流电机的优越性。有刷电机的转子和定子分别由绕组线圈(电枢)和永磁体构成，采用机械换向器和电刷，这样驱动会变得很简单。如图2.1所示。若在电刷 A、B两端通入一定大小的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样就可以实现直流电机的转子持续的运转下去。图2.1 有刷直
10、流电机结构示意图 但是这样的结构存在一定的缺陷： (1)电刷在换向时极易产生电火花，在很多场所不适合使用。 (2)电机长时间运转电刷会磨损严重，需要经常更换，这样就提高了维护的成本。 无刷直流电机的示意图如图2.2所示，它主要由转子(永磁体)、线圈绕组的定子和位置传感器组成。无刷直流电机的结构和有刷直流电机正好相反，有刷电机的定子是永磁体，转子是绕组线圈，这种结构使得无刷直流电机无需电刷和换向器，结构简单，无换向火花，运行可靠，易于维护。使得无刷直流电机的应用场合越来越广泛，无刷直流电机没有换向器和电刷，但是它有位置传感器。这是因为无刷直流电机不能自动换向，所以无刷直流电机控制器的成本提高了。
11、 图2.2 无刷直流电机示意图图2.2所示无刷直流电机为三相星型无刷直流电机，电动自行车上的无刷直流电机多采用这种电机。无刷直流电机具有以下优点： (1电动车启动时，无刷直流电机可以提供较大的启动转矩，达到一定速度需要时间较短； (2)由于无刷直流电机的过载能力强，所以电动车所承受的载荷大、爬坡有力； (3)无刷电机的电制动性好，无刷电机的制动可以发电，因此可以提供更多的电力使电动车行走的更远；(4)无刷直流电机可靠性相对较高，无刷直流电机的驱动控制比较简单，所以无刷直流电机控制器的开发周期较短。 目前用的较多的是霍尔位置传感器。由于它的体积、信噪比较合适且不易受环境的影响，霍尔传感器是以霍尔
12、效应原理为基础工作的一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。它集成了稳压电路，输出电压正比于磁感应强度。 2.2 直流无刷电机的工作原理和控制方法 由于无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位置，在根据转子的位置给电机的不同享通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。 无刷直流电机的电机转动原理可以形象的理解为：定子的磁场方向和转子的磁场方向不一致，而由于磁场的相互作用，转子会转动到定子的磁场方向上，使两个磁场方向保持一致。这时
13、，我们只要使定子的磁场方向以电机中心轴为轴心不断地往一个方向改变，转子就会跟着定子的磁场方向持续的转动起来。 在直流无刷电机中，通过位置传感器输出位置信号，电子换相电路根据输出的位置信号驱动电枢线圈绕组对应的功率开关管，各相绕组轮流通电，在电机定子上产生跳变的旋转磁场用以驱动永磁转子旋转。随着转子的转动位置传感器输出具有周期性变化的位置信号，驱动电路以位置信号为基准改变电枢绕组的通电状态，从而某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是为什么叫做无刷直流电机，图2.4为直流无刷电机的工作原理框图。 图2.3 直流电机工作原理框图无刷直流电机常用的是三相绕组，而电动自行车所用电机也是三相绕组，
14、本文所有相关的论述都是围绕三相绕组分析的。无刷直流电机绕组的连接方式有两种：星型链接和三角形链接。电动自行车电机采用的是星型链接。 控制波脉冲的宽度，波信号占空比也会随着变化而变化，且两者同向变化，电机的转速大小随着绕组线圈的电流增大而增大。所以，增大波占空比就可以增大三相逆变器控制电机电枢上压，电机的转速也就会增大。通过软件编程改变波脉冲宽度，就可以改变无刷直流电机电枢上的电压，从而改变电机转速的变化。2.3 单片机选型方案一：选用STC89C52单片机，STC公司生产的一种高性能、低功耗的8位微控制器。1） 增强型8051单片机；2） 能够提供8K字节的程序存储空间；3） 512字节数据存
15、储空间；4） 内带4K字节EEPROM存储空间；5） 可直接使用串口下载；6） 32个I/O口；7） MAX810复位电路；8） 3个16位定时器/计数器；9） 4个外部中断；10） 一个7向量4级中断结构；11） 最高运作频率35MHz。图2.4 STC89C52原理图方案二：选用飞思卡尔公司的K60微控制器，Freescale公司的32位Kinetis K60系列MCU。1） 工作电压为1.71-3.6V；2） 闪存的写电压为1.71-3.6V；3） 采用了ARM Cortex-M4内核；4） 可提供高达 180 MHz 的时钟频率；5） 用于工业自动化环境中的精确的、实时的时间控制；6）
16、 硬件加密支持多个算法，以最小的 CPU 负载提供快速、安全的数据传输和存储；7） 系统安全模块包括安全密钥存储和硬件篡改检测，提供用于频率、电压、外部传感（用于物理攻击检测）和温度的传感器。方案三：选用TI公司的16位MSP430F5529微控制器。1） 超低功率，230A/MHz，1.9A待机模式；2） 从待机模式唤醒仅需 5 s；3） 统一时钟系统UCS；4） 真正32位RTC带闹钟；5） 256KB的Flash存储空间；6） 16KB的RAM存储空间；7） 25MHz主频。方案四：ST公司的32位STM32F103ZET6微控制器。1）时钟频率：最高72M，1.25 DMIPS/MHz
17、；2）工作电压：2-3.6V；3）存储资源：最高512kB Flash，64kB RAM，（本系统使用芯片为512kB Flash，64kB RAM）；4）接口资源：最多3xSPI，5xUSART，2xI2S，2xI2C，1xFSMC，1xLCD，1xSDIO，1xUSB，1xCAN；5）串口USART3支持IrDA功能；6）模数转换：多达3xAD（12位，1us，分时16通道），2xDA（10位）；7）调试下载：支持JTAG/SWD接口的调试下载，支持IAP；8）IO数量：本系统采用LQFP144封装，有120个IO口。图2.5 STM32F103ZET6原理图图2.6 STM32F103Z
18、ET6实物图综上所述，经过分析本设计选用方案四STM32F103ZET6单片机，完全可以满足无刷直流电机控制器的设计，且性价比教高。2.4 无刷直流电机选型方案一：选用nidec的24H677H010无刷直流电机。Nidec为日本品牌尼德科公司，著名无刷直流电机厂家。该电机供电电压为12V，能够实现正反转、急停、PWM调速的功能。24H677H010无刷直流电机的引线图如图2.6所示。图2.7 24H677H010无刷直流电机引线图当刹车引线为低电平时进行刹车，高电平时释放。外接PWM信号调速，最低频率330HZ，推荐频率为2030KHZ。正反转控制为高电平时正转，低电平时反转。在空载时转速最
19、高达到4800r/min，空载电流为180mA。电机高度为34mm，直径为42mm，轴长17mm，轴径4mm。价格在15元左右。该电机的内部电路实物图如2.7所示。图2.8 24H677H010无刷直流电机内部电路实物图 方案二：WONSAMRT公司的WS3240-12型号的无刷直流电机。供电电压为12V，电机重量90g，空载转速为3000-22000rpm，空载电流0.05-0.41A。负载转速为2200-15500rpm，负载电流0.27-2.12A，负载功率3-26W。电机实物图如图2.8所示。图2.9 WS3240-12电机实物图 接线端子有8根线，其中三相12V电源线3根，霍尔测速电
20、路中电源和地线各一根，另外还有三根霍尔信号线输出。此电机自带霍尔传感器，使用方便，价格较低。最终本设计采用此电机。 方案三：JK57BLS005型号的无刷直流电机。该电机的额定转速为4000rpm，额定电流为0.64A。该电机体积小，重量轻，出力大，无级调速，调速范围大，能够软启动，制动特性好。该电机的实物图如图2.9所示。图2.10 JK57BLS005无刷直流电机3系统硬件电路的设计3.1硬件系统总体结构设计 本系统以STM32F103单片机为主控芯片，对整个系统进行控制，由电池模块对整个电路系统进行供电，保证系统能够正常工作。然后由调速转把能够能够得到电机理想达到的转速，经过STM32主
21、控制器处理后输出相应的PWM波控制电机的转速，然而这还并不能够使电机达到理想中想要的转速，需要经过霍尔测速后经过负反馈调节进一步调节电机的速度，以达到理想达到的转速。当按下刹车系统时，电机停转。其中，系统的硬件总体框图如图3.1所示。图3.1 系统硬件总体框图3.2电源电路设计电机驱动需要12V的直流电源。但是STM32 等芯片需要+3.3V的电压,同时电路板总电流必须小于 1A，所以我们需要进行电源电路设计。保证系统稳定运行的关键是稳定的电源供给。开关稳压电源小型轻量且效率比较高。这种优点刚好适应电子设备的轻、短、小与节能等的要求，所以他应用范围比较广。图3.2 12V转换为5V电源电路 如
22、图3.2所示，从12V电源转换为5V电源使用的为LM2596开关电源电路，能够有效地减少电源中纹波的产生。本系统中5V转3.3V使用的为三端集成稳压器 LM1117-3.3V电压转换电路，具体电路图如下图3.3所示。 图3.3 5V转3.3V电压转换电路电压转换芯片 LM1117MPX-3.3V 的作用是将输入的 5V 直流电压转化为 3.3V 模拟电压。是一般解决电压转换我们首选LM1117 系列电压转换芯片方案，因为它其具有低压降电压调节，多型号多种电压输出可供选择，由上图可知，前端采用旁路去耦电容滤波器在 5V 输入前，并联一个电解电容 C17和电容 C13C14这样可以保证电压的输入稳
23、定。解电容在电源滤波电路中的作用是起退耦隔直流滤高频信号灯，在直流电路中做为滤波电容，它能起到很好的滤高频作用。而 C13C14 主要是用于低频滤波，这样使得电路电压频率相集中，很好的降低了电压频率的干扰，能够给STM32单片机和其它一些电路供电。3.3无刷直流电机霍尔位置传感器接口电路设计我们选用的电机的中自带的霍尔传位置感器是由5V的电源驱动，由于偶然因素电源正负极的我们可能会插错，所以我们加了一只二极管，霍尔位置传感器是开漏输出的，所以必须接上拉电阻，一上拉电阻中的电流一般我们取1mA到2mA ，这样就能保证频率响应，这样单片机供电电压为 3.3V ，霍尔位置传感器添加低通RC 滤波器处
24、理，因为无刷电机中的强磁场以及无刷电机控制器PWM载波频率的回产生干扰。本文电机采用的三个霍尔元件依次相差120。定子侧安装在电角度,根据各个开关管的触发信号控制其通断。霍尔信号的采集接口电路如图3.4所示。 图3.4 无刷直流电机霍尔位置传感器接口电路 3.4 刹车电路设计在电动车中，刹车系统是必不可少的，而且灵敏度也决定了电车的安全性能。电动摩托车刹车时除了机械刹车同时给出了12V的刹车信号，在机械刹车的同时控制器输出应该关闭，否则可能会损坏电机，我们要设计一个电路把刹车信号控制控制器关闭输出，只要把PWM信号输出控制锁定或者速度给定电压给拉低，使得速度给定功率输出为0或者PWM 输出信号
25、失效。当刹车时同时把速度输入的模拟信号拉低使得速度检测输入为0，当刹车时刹车信号输入电压为12V在稳压二极管D11(1N4734 为5.6V稳压二极管)上的压降约5.6V，通过电阻分压后节点BREK的电压为 3.2V，QB1、QB2 导通使得 COMP 和VCON 拉低。COMP 拉低使得 PWM 输出信号失效使得 MOSFET 关闭控制器无功率输出，VCON的工作是输入信号电压约为0.7V2.1V所以拉低时约为0.7V所以速度输入也为0，他们都能达到制动的目的。刹车电路如图3.5如示图3.5 刹车和速度调节电路3.5过流保护电路 我们再生活中电动车会经常超负载运行，比如爬行在坡度较大的路段时
26、这样可能会发生过电流流现象,长此以往这种状态会危害电动机的使用寿命甚至损坏电动机,因为当电机的电流过高时，有烧坏电机的可能，在电动车运行时会很危险，因此需要设计电路来进行过流保护。过流保护电路如图3.6所示。图3.6 过流保护电路原理图当电动机高速旋转时和电动机低速旋转都会出现主电路电流电机“过流”，但它们原因有所不同。因此在电路设计的时候引入一个“硬件过流保护模块”,当超过主电路的电流时,产生过流保护信号,关断功率开关管。通过改变直流侧电压的大小来调节速度,当直流电机带载低速转动或则电机空载高速转动时，其电流会超过额定电流倍甚至更高，这样电路中设计过流保护，就可以防止因电流过大而烧坏电机以及
27、驱动电路。当电机带负载运行时，会出现电流过大的现象，如果电机长期处于这种状态下运转，就会对电机造成较大的损坏，导致电机的寿命缩短，所以，设计电路时，需要对电流进行监测，一旦发生过流现象，就通过软件编程，降低波占空比，从而减小电流。图3.6所示的LM358是常用的双运放放大电路，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。3.6三相全桥驱动电路 电
28、机的速度是由PWM波控制的，而PWM波是由微控制器产生的。如图3.7所示，在芯片内部波信号是电流调节器产生的电压信号同载波信号作比较产生，用于控制三相逆变电路中各个管的通断。控制波脉冲宽度，波信号占空比随着变化而变化，且两者同向变化，电机的转速随着绕组线圈的电流增大而增大。因此，增大PWM波占空比，就可以增大三相逆变器控制电机电枢上压，电机的转速就会增大。微控制器通过软件编程改变波脉冲宽度，即可改变无刷直流电机电枢上的平均电压，从而实现电机转速调节。电机没一时刻只有两相通电，并且用PWM调制，使之可以控制电机的相电压，三相桥上半桥PWM调制，而下半桥不调制，全时间导通。这样，当三相桥在PWM无
29、效时，可以为电机绕组续六提供条件。三相全桥的优势在于能能控制相电流大小和方向。 其中电机驱动是由6个MOS管组成，实现三相六步控制无刷直流电机的正反转和转速的调节，其中这6个MOS管分别有STM32F103单片机产生的6路PWM信号控制。其中三相全桥驱动电路如图3.7所示。图3.7 三相全桥驱动电路3.7 过压、欠压保护电路当电路出现短路或其他故障，电源电压可能很短时间的内出现大幅度下降，这样会给电机以及驱动板造成损害。为避免这种情况出现，我们设计了过压、欠压欠压保护电路。其中欠压、过压电路如图3.9所示。图3.9 过压、欠压保护电路 过压保护电压我们可以设定为15v.欠压保护设定为9v，分析
30、后得知我们采用分压方式，这样可以间接获得电枢上的实际电压，把采样电压送到放大器LM258，最后送到单片机进行电压采样。这样当电机电枢电压低于9V时，电机就会停止工作。电机电枢电压高于时15V，电机会自启动，电机又始工作。当电源电压过高时，一旦电压超过，此时采样信号会送到芯片，控制器会停止输出波，从而起到保护电机和控制板作用。当直流电机转动,可以通过电流检测信号反馈给 STM32 ，这样可以得到电流反馈和完成电路保护。STM32 还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路过压，过流等故障时及时封锁PWM 信号，使电机停止工作，并产生报警。 硬件电路是控制系统的基础和前提,所有的控制程序都是编写在硬
31、件电路的基础上。位置信号检测电路能保证电机正确换相,电流检测结果的准确性是正常运转的前提，同时它也是确保硬件过电流保护起作用的条件,在电流检测电路中,我们要合理选择了放大器的反馈电阻值,当过电流现象发生时,电流采样值在左右,经过比较器会得到一个低电平信号,这样就可以成功实施硬件保护。 本章根据电机控制系统硬件设计总体需求，搭建了为核心的硬件平台。基于平台，设计电机驱动主电路、调速电路、过压、欠压、过流保护等电路，实现了电机恒转速控制。4系统软件设计由于控制算法中无法预知摩托车载重量、道路情况天气状况等需许多因素都会影响电动摩托车的速度。在输入一定的功率时会有不同的速度输出，根据P=FV可知，当
32、载重量很大时摩擦力也会很大，由于功率一定，那么速度就小，同样当载重量小时摩擦力小则速度就大。通过上面的说明我们可知不适合选择对速度加以严格的控制，所以我们采用查表的方式在某一个调速转把电压输入域内对应一个占空比固定的PWM输出达到控制的目的。 控制系统工作的过程可以简单描述为，通过上位机软件发送命令给微处理器，实现电机的启动、停止、正转、反转、调速。微处理器根据命令来控制驱动电路的开关，控制驱动电路的开关再控制电机的运行，位置检测电路可以提供无刷直流电机的转子位置信息，我们可以根据转子信息来计算电机的转速，同时可以根据转子位置信息，我们就知道换相时刻，这样可以控制对应相开关通断，信号采集电路提
33、供电机运行时电流、电压信息。 无刷直流电机控制器通过调速转把得到调速信息，刹车时给控制器一个12V的控制电压，电动摩托车无刷直流电机控制器内部功能模块图4.1如下：图4.1 无刷直流电机控制器功能模块4.1 系统整体软件设计软件设计总体框架与思路如图4.2所示。启动只要主动读出一次电机的当前的霍尔传感器的状态，再根据状态输出对应的PWM即可，只要输出的PWM足够大，电机就开始转动，到第一次触发了霍尔传感器的跳变就进入转向中断进行连续的换向电机就可以开始平稳的转动。由于不知道电机在启动时所带的负载有多大，所以这里采用了PWM逐渐增大的方案，在第一次触发传感器中断之前，说明这时的PWM的占空比刚刚
34、好足够大，可以带动当前电机的负载。在第一次进入霍尔传感器中断时，就可以退出启动过程了。图4.2 软件系统总体框图 主程序主要进行初始化操作，包括软件模块初始化和硬件系统初始化，处理用户命令（包括启动、停止、调速等），输出电机的运行信息。中断函数主要是提供延时，按延时周期采集速度、电流值，进行速度调节。软件系统利用定时器 TIM2的捕获功能捕获三相反电动势过零点信号，提供换相时刻信息。TIM2中断服务程序用来读取保存两相反电动势过零点信号的时间间隔，我们利用这个时间间隔来计算转子的速度。高级定时器TIM1用来产生六路PWM。软件系统的设计想法是分模块设计，把一些功能相对独立的模块单独编写实现，包
35、括PWM 换相，转子速度的计算，电流电压值的采样计算等。不要忽略了STM32F103定时器的强大功能。4.2直流无刷电机控制的软件设计由电机的PWM示意图可知，电机的每一时刻只有两相通电，并且用PWM进行调制，使之可以控制电机的相电压，在本设计中，使用的是三相桥上半桥PWM调制，而下半桥不调制，全时间导通。这样，当三相桥上半桥在PWM无效时，可以为电机绕组续流提供条件。其中电机PWM示意图和霍尔传感器输出波形如图4.3所示。图4.3 电机PWM示意图和霍尔传感器输出波形在霍尔传感器输出波形图中可以看到，电机转子的位置和三个霍尔传感器的输出一一对应，其输出码表如表4.1所示。并且当电机的任何一个
36、霍尔传感器的电平边缘发生变化，表明电机需要新的相序，使电机可以转动到下一个位置。表4.1 霍尔传感器输出波形当前相码（U-V-W）当前相序T10012T20113T30104T41105T51006T61011所以，控制器就可以使用外部中断对三个霍尔传感器进行实时监测，其中一个霍尔传感器的电平发生翻转时，就可以查看这三个霍尔传感器的组合，然后查表，得到电机下一个的通电相序，得到新的相序后，就马上输出新的相序，依次循环，电机就可以平稳地转动了，其中控制流程图如图4.4所示。图4.4 电机控制流程图在程序设计的过程中, 首先要上电复位, 然后初始化时钟和中断源, 再打开中断, 当检测到转把的输人电
37、压时, 将该电压经A/D转换后按算法计算出PWM的占空比输出PWM波。随后采样位置传感器产生霍尔信号, 将该信号的状态与电机固定的相位序列进行比较, 判断电机的相位是否正确。若正确, 输出波PWM, 否则, 重新复位。欠压检测是根据需要设定欠压值, 然后采样当前电源电压, 若电压低于设定值,则关闭输出, 相反, 则进行限流保护检测。限流保护检测是把电压传感器康铜丝上的电压经放大、A/D转换后与设定的电流限定值进行比较, 若高于最高限定值, 则关闭输出, 反之, 则正常运行。在运行的过程中应时刻检测是否有刹车信号输人, 若有刹车信号输人, 则关闭输出。4.3系统各部分功能在软件中的实现4.4.1
38、驱动控制驱动控制通过查表实现霍尔元件状态到输出状态的转换。直流无刷电机的3个霍尔元件组合起来有8种状态, 其中6种是有效的, 对应1个输出的状态。这6个状态对应没有明显的简单数量关系, 所以要实现映射, 查表是最快捷的方式。若电机需要反转, 只需增加一个反转状态表即可。正反转驱动只在于电流换相顺序的不同, 反映到程序中仅在查表处有区别, 所以正反转可共用一个驱动程序。4.4.2 启动理论上讲, 转子位置过磁场换相临界点时, 电流换相的速度越快越好。根据这一想法, 可以将霍尔信号的改变设置为中断, 从而转子的换相可以得到立即响应。但是在电动自行车控制场合,这样的想法是没有必要的。电动自行车直流无
39、刷电机的转速相对来说很低。设电动自行车运行在最高速20km/s(这是国家法律规定的速度限制), 而其使用的小径轮胎0.6m, 则霍尔信号改变的时间为0.244s。这个时间远远大于单片机主程序循环一周需要的时间(约0.001s), 所以将霍尔元件信号状态的检测工作放在主程序中即可。这样做的好处是可以减小中断程序的执行时间, 程序运行更加流畅。4.4.3 PWM中断时间控制中断时间的控制与定时器时间控制相似。定时器在每个时间周期增加1。它在计数满后复位到00h重新开始, 同时产生一个中断信号。若想控制定时器定时时间, 可以在其中断程序里面将定时器置数, 定时器便从这个数开始计数直到溢出。这样定时时
40、间可以由这个写入定时器寄存器的数值控制。须注意对有的定时器计数值寄存器写的时候, 会把预分频值清除, 因此必须在写计数值的同时重新写预分频值控制字。PWM中断的发生与定时器不同的是:它的发生不是由于定时器溢出, 而是由于定时器TIMER2与PWM周期寄存器PR2值相等。因此, 要在中断程序中控制下次PWM中断的时间有两个方法:一是改变PR2值, 一是对TIMER2置数, 改变其初始值。值得注意的是:改变TIMER2会连带将其预分频值改变为默认值, 因此需要同时修改预分频值才能达到预想的效果。4.4.4 刹车控制刹车控制在主程序里面, 主程序时刻检测刹车信号, 当有刹车信号, 关断波的输出若没有
41、刹车信号, 根据转把输入的电压, 控制波的输出。4.4.5 PWM脉宽时间算法PWM周期和占空比计算公式为:PWM周期=(PR2)+l*4*TOSC*(TMR2预分频值)，TOSC为晶振周期；PWM占空比=(CCPRIL:CCPICON)*TOSC*(TMR2预分频值)。4.4 STM32检测霍尔信号和输出PWM软件设计系统软件按顺序扫描控制的模式编制。软件定时器根据调速要求产生直流斩波电压，采用中断方式运行，改变斩波电压只需在对应单元写入控制值。三相位置输入信号经简单查表运算产生对应的输出逻辑。刹车信号、过流信号和欠压信号顺次读入，并进行相应处理。4.5.1 STM32的TIM3产生6路PW
42、M信号控制无刷直流电机程序其实通过由微控制器输出6路PWM波，经过电机驱动器然后有电机驱动器驱动电机，电机的速度是通过改变PWM波的占空比来改变的。下面为其中一路PWM的城项目void motor(u16 duty) /电机控制程序for(x=0;x5;x+)TIM_SetCompare1(TIM3,duty); /通过设置duty值设置占空比TIM_SetCompare2(TIM3,900);GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_Disable ,ENABLE);/使能配置 GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7)
43、; /引脚置位PWM控制电机速度的软件流程图如图4.5所示。图4.5 PWM控制电机速度软件流程图4,5.2 STM32的TIM4输入捕获霍尔信号速度采集程序是主要是输入捕获的程序，通过输入捕获测量输入的脉冲数，可以得到一定时间内的脉冲数，再进一步可以转化为电机的转速。s32TIM4CH3_CAPTURE_VAL;/输入捕获计数值void TIM4_IRQHandler(void) /输入捕获中断函数 if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_CC3)!=RESET) /判断输入捕获引脚是否有置位发生TIM4CH3_CAPTURE_VAL+; /没有的话，计数值加1if(T
44、IM4CH3_CAPTURE_VAL=0xffff) TIM_Cmd(TIM4,DISABLE );TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_CC3); /清除引脚输入捕获功能电机速度采集软件流程图如图4.6所示。图4.6 电机速度采集软件流程5.总结和展望 目前随着电机技术和相关控制技术的迅速发展，无刷直流电机在工业控制等诸许多领域得到得到了广泛的应用。传统的无刷直流电机控制系统通过安装转子位置传感器来取得换相信息。由于各种先进控制理论、数字信号处理器（DSP）的发展，电机控制方法的发展也进入了一个新的阶段。因此，本论文的研究具有一定的现实意义和广泛的商业应用前景
45、。本论文以无刷直流电机为主要研究对象，对无刷直流电机控制和结构进行了比较深入的研究，学习了电机学的基本知识，了解了普通电机的结构和工作原理以及控制方式。在此基础上深入的研究无刷直流电机的基本结构和工作原理。 通过阅读一些关于无刷直流电机控制系统的文献，分析目前直流无刷电机的现状、成果、以及未来发展的方向等。 本文设计的无刷直流电机控制取得了一些比较有意义的研究成果，但是鉴于时间和作者水平的限制，本文设计的无刷直流电机控制系统有进一步改善的余地，。我通过仿真加深了对无刷直流电机控制器原理的认识，通过仿真的分析结果来指导实践，通过相关技术实现控制各种成本如：研发、生产、采购成本等。解决了一些生产实
46、践中的问题，通过 RCC 式开关电源低成本解决了系统控制电源问题，并分析了电路。采用了现代化的电子开发的模式，采用模拟替代仿真的开发模式，通过仿真实现、掌握基本原理加深理解并指导实践。在本文开发过程中仿真电路中采用电阻替代电机，采用小功率电源替代锂电池，这样可以防止因为电池短路所造成的危险，控制小功率电机替代控制大功率电机实现控制理论的验证，这些方法在调试中减少了MOSFET的消耗。 由于电动摩托车的大批量生产，人们会越来越重视动力电池充电器对电池寿命的影响，一个成熟的产品只有通过严格的检测，才能保证产品获得用户的认可，这样才能进一步占领市场。智能的检测系统很有必要。因为检测会受到许多影响，且标准也不一样。容易控制产品的质量。 在做毕业设计的期间，本人查阅许多相关技术资料。在马老师和师兄的指导帮助下，熟悉和掌握一些STM32芯片的相关开发流程，在了解BLDCM 的基本结构和控制原理后。关于 BLDCM 控制器的硬件电路的设计，我采用STM32 处理器作为