STM8S的高速无刷直流电机恒速控制系统设计

STM8S的高速无刷直流电机恒速控制系统设计
邹存名;韩秀梅
【摘要】为解决高速无刷直流电机恒速控制投入高、稳定性差、无法实现低功耗高速无刷直流电机恒速控制等问题,提出一种基于STM8S003微控制器的高速无刷直流电机恒速控制系统的解决方案.通过分析无刷直流电机控制时序,应用PID算法程序,实现无刷直流电机5万转恒速控制.实际应用表明,该方案的设计在高速电机控制方面,成本低、电机起速平稳、控速性能良好.
【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》
【年(卷),期】2016(016)009
【总页数】4页(P61-63,68)
【关键词】无刷直流电机;STM8S;PID;恒速控制
【作者】邹存名;韩秀梅
【作者单位】大连科技学院电气工程学院,大连116052;大连科技学院电气工程学院,大连116052
【正文语种】中文
【中图分类】TP23
目前，微型高速无刷直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能等特点，在打磨、切割等领域有一定的应用价值。

微型高速无刷直流电机控制对时序要求较高，一般控制模块主要采用无刷直流电机专用时序控制芯片实现控制［1］，然而这种控制模块造价相对较高，PCB制板面积
较大，而且对实现高速控制方面板耗较大，效率低［2］。

因此，本设计采用
STM8S003微控制器，充分利用该微控器的资源，通过直接对上下桥臂MOS管
导通控制，实现高速无刷直流电机5万转恒速控制。

1.1 无刷直流电机的控制电路设计
无刷直流电机内部由永磁转子和三相定子组成，通过反向极性的吸引产生相矩力，从而使电机转动。

定子磁场和转子磁场之间的相角度近似为正交，从而获得最大力矩。

一般控制无刷电机启动需要判断转子的当前位置，然后根据当前位置改变MOS管驱动电路上下桥臂的通电顺序，使其在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子转动。

本设计采用120°带霍尔传感器无刷直流电机，通过霍尔传感器测
量转子相对于定子线圈的位置信息［3］。

根据无刷直流电机运行原理，设计的电路如图1所示。

本文采用6个MOS管来实现无刷直流电机控制，Q1、Q5、Q9为驱动上桥臂，
Q3、Q7、Q11为驱动下桥臂，Q2、Q6、Q10为开关控制三极管，通过Q2、
Q6、Q10提供上桥臂导通电流。

该设计结构设计简单、功耗小、成本低、运行稳定，并具有过流保护功能。

1.2 电源电路
本设计需要提供12 V、5 V低纹波电源，因此采用78M12和78L05线性低压差
电源，分别提供12 V和5 V电源。

其中12 V给电机驱动电路供电，5 V用于给STM8S003供电，电源电路如图2所示。

1.3 位置检测电路
本控制系统采用霍尔传感器来检测BLCD转子的位置，该方案硬件电路简单、精
确度高、响应速度快。

位置信号由3个霍尔传感器反馈信号分析得到，分别是HA、HB、HC，每个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号，而HA、HB、HC的
输出信号互差120°相位差。

它们在每个机械转中会产生6个上升沿或者下降沿，
对应着6个位置和换相时刻［4］。

把STM8S003微控器的I/O口设置为双边沿外部中断捕获功能，即可获得这6个换相时刻。

再根据3个霍尔传感器的电平状态，即可获得转子准确的位置信息。

通过R1、R2、R3为霍尔速度采集的上拉电阻，C13、C3、C4为滤波电容，用于采集速度信号准确性，这也主要是处理位置采集信号毛刺问题［5］。

位置检测电路，如图3所示。

2.1 软件整体设计
系统程序总体设计主要包括初始化、位置检测、换相及速度调节、PID控制算法等组成，如图4所示。

初始化主要是设置STM8S003的系统时钟、I/O端口、定时器，以及中断控制。

通过无刷直流电机3个霍尔传感器逻辑图采集位置信息，如图5所示，再利用位置信息输出驱动信号，使电机顺利换向，特别是在设计高速电机时，必须严格按照时序图来进行换向驱动，否则将大大提高驱动板功耗，即使PWM输出占空比最大也很难达到5万转转速。

2.2 PlD算法模块
本设计采用PID控制算法，这是一般常用的恒速控制算法，但是由于
STM8S003F3P6微控器内部资源有限，因此在设计PID算法模块时，程序必须精简，优化程度高，运行可靠，从而保持电机转速恒定不随负载变化而变化。

程序如下：float PP=P，II=I，DD=D；
//PID参数值，修改这三个值调
节电机的升降速度和误差调节
double Sum Error=0，Prev Error
=0，LastError=0；
long d Error=0，Error=0；
void PID_init（void）｛
Error=0；SumError=0；
LastError=0；
｝
void PIDcompute（unsigned int
Target，unsigned int Real）｛
float j=0.0，i；
Error=（Target-（long）Real）；SumError+=Error；
d Error=Error-（long）LastError；
LastError=Error；
i=PP；
j=Error*i；
i=II；
j=j+Sum Error*i；i=DD；
j=j+d Error*i；
j=j/100；
if（j＞=h ArrPwm Val）OutPwm Value=h Arr Pwm Val；
else if（j＜25）OutPwm Value=25；
else OutPwm Value=（unsigned int）j；
｝
本系统的位置传感器测试结果，如图6所示。

通过测量单路位置传感器反馈脉冲信号HA周期为1.25 ms，电机转速为5万转。

实验证明PID算法运行正常，该设计运行稳定，性能良好，无杂音。