用ST72141實現(xiàn)無刷直流電機的控制 [日期：2004-12-8] 來源：單片機及嵌入式系統(tǒng)應用 作者：意法半導體深圳代表處 萬 誠 [字體：電子產(chǎn)品、電冰箱、空調(diào)、壓縮機和風扇等產(chǎn)品。無刷直流電機的優(yōu)點是效率高、工作噪聲低、體積小、可靠性好和壽命長。

　　ST72141是ST7微控制器家族產(chǎn)品中的一員。它包括A/D轉換和SPI接口，有專門用于無刷直流電機控制的片內(nèi)外設，可選擇帶傳感器模式和不帶傳感器模式。

　　ST7片內(nèi)的電機控制電路可看成是一個脈寬調(diào)制多路復用器。它有6路輸出和1個用在無刷直流電機不帶傳感器控制時的反電動勢零點檢測電路。

ST72141的電機控制外設有4個主要的部分：

◇ 去磁結束和反電動勢零點的檢測電路；

◇ 延遲管理電路；

◇ PWM管理電路（需要PWM信號來驅動電機）；

◇ 通道管理電路。

ST72141在無刷直流電機中的典型應用如圖1所示。

晶體管。

　　T2、T4、T6是電機A、B和C繞組相的下端晶體管。

　　在步長1時，相A為正向偏壓，所以這個繞組中的電流是正向的；相B為反向偏壓，所以這相繞組中的電流是負向的。這時C相繞組沒有施加電源。

　　無刷模式下，使用ST72141控制電機，可以讀取這個沒有施加電源的相繞組反電動勢（這里以繞組相C為開始的步長1）。通過讀取這個反電動勢，可以確定轉子的實際位置。

二極管，A點為地。假設A相繞組的反電動勢為Ea，B相繞組的反電動勢為Eb，C相繞組的反電動勢為Ec。當Ec過零點時，有Ea=-Eb，這樣N處為零電勢。這就意味著可以不需要虛擬地就可以獲得需要的反電動勢的信息。反電動勢過零點事件通過輸出比較器獲得，無傳感器模式時，一定頻率的PWM信號加在T1上。C的電壓被鉗位二極管鉗位在＋5V/0.6V（而需要關注的是過零點）。這里的分析同樣適應于電機繞組為三角型連接。

　　比較器的一個輸入是C相繞組的電壓信號，另一個輸入是一個門檻電壓（通過軟件可選擇0.2、0.6、1.2和2.5V）。ST72141等待C相繞組的反電動勢到達選擇的閾值電壓。PWM信號施加在T1上，當T1關閉時，C相繞組的電壓為地。因此，ST72141只需要讀取反電動勢就可以檢測到到達這個閾值的時間點。

　　檢測去磁結束事件的方法和過零點事件相同，并使用相同的外設。電機控制按照固定的順序處理這三個事件，Z事件后經(jīng)過一段延遲，產(chǎn)生一個C事件，然后等待一個D事件。

圖6 去磁結束事件

　　在換向之后，開始相繞組加速去磁。為了避免過早地檢測去磁結束事件，換向之后有20μs的濾波時間，如圖6所示。為了避免檢測去磁結束事件太晚，去磁結束的檢測使用相同的比較器，但是取樣頻率是800kHz。

　　無傳感器模式下，比較器的輸出取樣頻率在過零點事件時是PWM信號，在去磁結束事件檢測時是800kHz。

4 電機的啟動和控制舉例

　　這里以2個極對數(shù)的電機的啟動為例。電機啟動后目標速度是1400r/min。啟動電機之前，必須預先固定位置。剛啟動時，反電動勢信號太弱，不能讀取。讀取反電動勢信號前的過程中，電流必須提供>(負載力矩＋摩擦力矩＋電機的慣性負載的力矩)。故啟動時，ST72141定時器A的PWM占空比在啟動過程中必須高于一般運行下需要的值。

　　一定步長后，為了檢測到過零點事件，需要一個特別的方法啟動電機，稱為同步（強制換向）模式，或者稱為電機根據(jù)加速表加速的過程。

圖7 啟動過程

　　一定的步長之后，施加連續(xù)逐漸增加的步長時間和電流給電機，使電機加速，并可檢測到一個過零點事件。電機加速過程中檢測指定數(shù)量連續(xù)的Z事件之后，開始調(diào)整，使得電機高效率運行，即電機進入自動換向模式。如果在加速表取完后，電機還不能進入自動換向模式下，電機將停止。圖7所示為閉環(huán)模式下電機的啟動過程。

　　開環(huán)模式下的啟動過程也一樣，只是電流或者電壓在電機進入自動換向模式之后可以由用戶改變。閉環(huán)模式下，電流或者電壓的限值由用戶強制施加且固定，直到電機進入速度調(diào)整。進入速度調(diào)整后，電流不再由用戶控制（ST72141自動調(diào)整）。閉環(huán)控制模式下，不論是哪種控制模式（電流或者電壓），速度調(diào)整回路啟動。電機在單片機的控制下，固定運行在速度表決定的速度上。