摘要：本文介紹一種基于ST72141電機(jī)控制芯片的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)述了其自有的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)原理及實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)控制的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
　　
　　1、引言
　　
　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子采用永磁材料勵(lì)磁，無(wú)勵(lì)磁損耗，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠、節(jié)能易于控制等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器,因此,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)保留了普通直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的
　　
　　機(jī)械特性，從而在軍民各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
　　
　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是伴隨著數(shù)字控制技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的,因此,采用單片機(jī)為主的
　　
　　數(shù)字控制是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要控制手段之一。本文介紹一種ST72141電機(jī)控制芯片,可實(shí)現(xiàn)無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制,無(wú)需霍爾傳感器,只需通過(guò)三個(gè)電阻將電機(jī)的三相繞組直接與ST7214芯片的輸入接口相連即可得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略,降低了系統(tǒng)成本,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。
　　
　　2、原理
　　
　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí),需要轉(zhuǎn)子的位置信號(hào),以控制逆變器中功率管的換流,從而實(shí)現(xiàn)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的同步運(yùn)行。多數(shù)無(wú)刷直流電機(jī)都是靠位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè),這些傳感器不僅增加了成本,使系統(tǒng)連接更加復(fù)雜,而且,由于傳感器本身存在的缺陷,如精
　　
　　度不夠,對(duì)環(huán)境條件敏感,使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性得不到保證。
　　
　　常采用的無(wú)位置傳感器控制策略是傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法（端電壓檢測(cè)和相電壓檢測(cè)）,由于傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法需要進(jìn)行分壓和濾波。分壓則降低了低速運(yùn)行時(shí)過(guò)零信號(hào)檢測(cè)的敏感度，特別是在反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)較弱的起動(dòng)過(guò)程；濾波則導(dǎo)致過(guò)零信號(hào)相移，隨著轉(zhuǎn)速的提高，其相移量也增大，這種相移的變化增加了高速時(shí)換相控制實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。
　　
　　本文將介紹ST72141芯片自有的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)技術(shù)——直接檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)法。直接檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)是采用上管PWM、下管恒通的調(diào)制方式，在PWM斬波期間直接檢測(cè)出反電動(dòng)勢(shì)的?，F(xiàn)對(duì)這直接檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)法作一簡(jiǎn)要分析：主電路原理圖如圖1所示，A相和B相導(dǎo)通，C相懸浮，電流流過(guò)VT1和VT6管，當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，二極管D4續(xù)流，由于C相上無(wú)電流流過(guò)，故C相端電壓CV即為C相反電動(dòng)勢(shì)電壓。
　　
　　由上面分析可知，在A相VT1PWM關(guān)斷時(shí)，二極管D4續(xù)流，C相端電壓對(duì)應(yīng)比例于C相反電動(dòng)勢(shì)，且是以地為基準(zhǔn)的。由ST72141芯片特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)三個(gè)電阻將電機(jī)的三相繞組直接與ST72141芯片的輸入引腳（MCIA、MCIB和MCIC）相連即可得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)，此時(shí)，得到的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何衰減和相移，因此，反饋信號(hào)具有高信躁比，同時(shí)，工作頻率范圍無(wú)論在低速還是高速都得到了擴(kuò)展，當(dāng)然，系統(tǒng)的成本也得到了降低。
　　
　　3、硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　ST72141是ST公司專門用于同步電機(jī)控制的一款單片機(jī)，特別適合3相無(wú)刷直流電機(jī)的控制。它的主要資源及特點(diǎn)包括：8位中央處理內(nèi)核，支持增強(qiáng)指令集；256字節(jié)的RAM內(nèi)存，8K字節(jié)的ROM；14路復(fù)用I/O口；兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)看門狗定時(shí)器；SPI接口；8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換輸入；外部晶振為8/16MHz，內(nèi)分頻為4/8MHz；電機(jī)控制外設(shè)（六路PWM輸出、8位硬件乘法器、三路檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置模擬輸入、兩片上模擬比較器）。
　　
　　ST72141對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要由片內(nèi)集成的電機(jī)控制外設(shè)（MTC）來(lái)完成。ST72141的電機(jī)控制外設(shè)由去磁結(jié)束和反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)電路、延遲管理器、PWM管理器（需要PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）和通道選擇管理器等四部分組成。
　　
　　圖2給出了由ST72141芯片組成的控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)可工作于電壓模式或電流模式。ST72141芯片提供兩種工作模式：電壓模式和電流模式。在電流模式下，通過(guò)改變電機(jī)的參考電流而改變力矩的大?。睾碗娏鞒烧龋?，電流的控制是通過(guò)PWM來(lái)調(diào)整的。在電壓模式下，通過(guò)改變電機(jī)的參考電壓來(lái)改變速度，同時(shí)，可設(shè)置電流的zui大值，即力矩可達(dá)到的zui大值。電壓的控制也是通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　
　　功率電路部分采用典型的交-直-交電壓型功率變換器結(jié)構(gòu)。由單相工頻電壓經(jīng)全波整流為二倍頻的直流脈動(dòng)電壓，后接平滑濾波電容進(jìn)行濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，然后，經(jīng)三相逆變橋（IPM模塊）逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?，以?qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。功率電路的核心部分是逆變，實(shí)現(xiàn)逆變的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由ST72141芯片控制完成的。
　　
　　IPM智能功率模塊具有許多優(yōu)點(diǎn)。它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起,而且內(nèi)含過(guò)電流保護(hù)電路（OC）、短路保護(hù)電路（SC）、驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)電路（UV）、過(guò)熱保護(hù)電路（OH）及報(bào)警輸出電路（ALM），向外部輸出故障報(bào)警，當(dāng)OH及OC、UV保護(hù)動(dòng)作時(shí)，IPM模塊通過(guò)/MCES引腳向ST72141芯片輸入異常信號(hào)，能停止系統(tǒng)工作，能切實(shí)地起到保護(hù)控制系統(tǒng)。
　　
　　由于在無(wú)傳感器模式下是通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)確定轉(zhuǎn)子位置的,當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止或轉(zhuǎn)速較低時(shí),反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)為零或幅值太小而無(wú)法被MTC檢測(cè),因此必須采用一種特殊的起動(dòng)方式來(lái)起動(dòng)電機(jī)。具體地,首先通過(guò)給電樞繞組通一定的電流信號(hào)使轉(zhuǎn)子自動(dòng)轉(zhuǎn)到特定、已知的位置,這個(gè)過(guò)程稱之為轉(zhuǎn)子預(yù)定位;當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)預(yù)定的位置時(shí),施加連續(xù)逐漸增加的步長(zhǎng)時(shí)間和電流給電機(jī)，使電機(jī)加速，在電機(jī)加速過(guò)程中檢測(cè)到數(shù)量的連續(xù)過(guò)零事件之后，電機(jī)便自動(dòng)切換至自控同步運(yùn)行方式。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程是通過(guò)軟件編程來(lái)控制的。
　　
　　4、軟件設(shè)計(jì)
　　
　　軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，它和MCU一起共同構(gòu)成控制部分的核心，幾乎完成所有功能的控制。本系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。
　　
　　4.1主程序
　　
　　主程序主要包括初始化部分和循環(huán)主體部分,如圖3所示。其中，初始化部分包括系統(tǒng)資源初始化、各變量初始化；主程序循環(huán)主體部分主要包括A/D采樣、加減速率計(jì)算等。
　　
　　4.2中斷服務(wù)子程序
　　
　　中斷服務(wù)子程序主要包括電壓過(guò)零中斷（Z）、換相中斷（C）、串行中斷等。
　　
　　串行中斷程序是用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信的。
　　
　　換相中斷程序包括四個(gè)不同事件的處理，他控異步處理子程序；他控異步末拍處理子程序；自控同步首拍處理子程序；自控同步處理子程序。其流程圖如圖4所示。
　　
　　電壓過(guò)零中斷程序主要是用來(lái)判定電機(jī)何時(shí)進(jìn)入自同步運(yùn)行，而在系統(tǒng)進(jìn)入自同步運(yùn)行階段后，過(guò)零中斷程序中不進(jìn)行任何操作，直接返回主程序。
　　
　　5、結(jié)語(yǔ)
　　
　　ST72141芯片是一種專門用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的單片機(jī),片內(nèi)集成專門用于電機(jī)控制的片內(nèi)外設(shè)，可在帶限流的調(diào)壓模式或直接調(diào)節(jié)電流的電流模式（直接轉(zhuǎn)矩控制）下工作。利用ST72141電機(jī)控制芯片構(gòu)成的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單、控制方便、*的保護(hù)功能，同時(shí)，它的成本低、可靠性較高、實(shí)用性強(qiáng)，因此，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。