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STM直流电机PWM调速控制
电动摩托车控制器中的电机PWM调速
汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合
图1 总体方案系统框图
该方案主要运行状况如下:通过摩托车车把的转动来改变其机械位置,然后这个变量通过ADC转换后,传送其调速信号给STM32F103,另外,霍尔传感器将其对电机速度的检测信号也传送给STM32,在STM32中,首先根据ADC的值改变PWM波形,并且与霍尔传感器的检测信号进行叠加,最终输出叠加后的PWM波形给功率驱动电路,从而驱动电机并对其进行速度的控制和调节。
系统硬件设计
2.1 总体硬件框图
系统的硬件电路选用STM32F103为主控芯片,作为电机控制的核心,通过霍尔位置传感器检测位置信号,结合功率驱动电路以实现对电机的驱动。 此外,还有电流检测电路可根据电机的状态以调整转速和实现过流保护功能 系统的硬件框图如图2所示:
PWM
电流检测
三相控制
霍尔检测
图2 系统硬件框图
2.2 电机功率驱动电路设计
直流无刷电机是将直流有刷电机的机械换向改进成电子换向而来的,要使其转动,就必须通过电子换向的方法调整电流,按照转子所在的位置产生转动磁场,主控芯片控制H半桥驱动电路产生电机转动的换向电流,以产生转动的磁场,驱动电路如图3所示
驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率晶体管或
MOSFET管,所以单从原理上讲,驱动电路主要起开关功率放大作用,即脉冲放大器。但随着开关工作频率的提高,驱动电路的优化设计显得越来越重要。驱动电路的最佳驱动特性应具有:功率管开通时,驱动电路提供的基极电流应有快速的上升沿,并一开始有一定的过冲,以加速开通过程,并在集电极电流尖峰时开启驱动基极,从而减小开通损耗;功率管导通期间,驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证功率管处于饱和导通状态,使功率管的饱和压降较低,以保证低的导通损耗;关断瞬时,驱动电路应提供足够的反向基极驱动,以迅速抽出基区的剩余载流子,并加反偏截止电压,使集电极电流迅速下降以减少下降时间。
为了增加系统的抗干扰能力,STM32 输出的6路PWM信号首先必须经隔离再送到IR2136进行驱动,由于开关速度达到20KHz左右,故设计中选用高速光耦器件HCPL4504,见图3,其最高速度可达1Mbit/s,内部的噪声抑制电路可提供高于15kV/us的共模抑制。
IR2136是IR公司的一款功率MOSFET、IGBT专用栅极驱动集成电路,独有的I-IVIC(High voltage integrated circuit)技术使得它可用作驱动工作在母线电压高达600V的电路中的功率MOS器件。其内部采用自举技术,使得功率驱动元件驱动电路仅需输入一个直流电源,使其实现对功率MOSFET和IGBT的最优驱动,并且它还具有完善的保护功能包括欠压保护和过流保护,以便保证系统安全稳定的工作。故本文选用IR2136作为主功率部分的MOSFET驱动,如图3所示:
图3中经IR2136驱动的6路PwM信号被直接送到由6个MOSFET管组成的主功率电路。如图所示,该功率驱动采用三相全控电路,电动机的三相绕组为Y型联结。MOSFET管选用IR公司的IRFZ48,该管导通电阻较低,当连续流过10A电流时,功耗才1.2w,根本不需要散热片就可以稳定工作。
图3 功率驱动电路
直流无刷电机的电子换向是基于转子的位置来控制的,本系统采用3个霍尔传感器对直流无刷电机进行位置测量 霍尔传感器安装在电机的内部,将转子的位置转换为三路数字信号直接输出到STM32的GPIO口 在本设计中可方便地用于通过检测霍尔位置传感器的信号来实现检测转子的位置,然后据此输出相应的PWM信号控制功率管的导通或关断,从而实现电流的换向,在电机内部产生一个转动的磁场,进而驱动电机旋转。另外,车把转动的时候会通过一个DA转换,然后得到调速的标志flag的值,从而根据这个flag值来改变PWM波的占空比,从而进行电机的调速。
直流无刷电机旋转时三个霍尔传感器的信号值和输出的PWM信号之间的对应关系如图4所示
图4 相位与PWM信号的对应关系
GPIOD4
霍尔传感器输出端 GPIOA6 利用定时器TIM3,TIM4产生的六路PWM输出 GPIOA7 GPIOD5 GPIOB0 GPIOB1 GPIOD6 GPIOB6 GPIOB7
PWM产生程序:本设计中采用STM32F103的定时器T
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