摘要：意法半導體的ST72141是專門用在無刷直流電機（BLDC）控制的單片機。內(nèi)部包含意法半導體自有的反電動勢檢測專利技術，專門用于電機控制的片內(nèi)外設，大大減少了電機控制系統(tǒng)的成本，簡化了電機控制系統(tǒng)的設計。

    關鍵詞：無刷直流電機（BLDC） 單片機 電機控制

引 言

1 概 述

　　ST72141是ST公司專門用于同步電機控制的一款單片機，特別適合3相無刷直流電機的控制。無刷直流電機可用于工業(yè)控制、汽車電子產(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。

圖2 6步長120度的驅動模式

2 無刷直流電機的基本原理

　　 無刷直流電機包含2個同軸的磁性電樞：外部電樞，即固定的定子；內(nèi)部電樞，即可動的轉子。定子是電機的引導部分；轉子是電機的感應部分。無刷直流電機內(nèi)部電樞的轉子是一個永磁體。這個電樞由恒流源供電。定子可以有多相（這里以3相為例）。電機是同步電機。無刷永磁體直流電機是同步電機，定子的磁場旋轉速度和轉子的機械旋轉速度相同。

　　反電動勢是使用ST72141在不帶傳感器模式下驅動無刷直流電機的基礎。反電動勢和轉子的轉速、流過轉子的磁通和相應繞組的轉子數(shù)目成正比。

　　繞組產(chǎn)生的力矩大小與電流和磁通量成正比關系。

　　ST72141提供2種控制方式：電壓模式和電流模式。 電流模式下可以直接按比例調(diào)節(jié)力矩；電壓模式下可以調(diào)節(jié)速度，設置力矩限閾值（即電流的閾值）。

3 ST72141用于無刷直流電機控制

　　圖2為采用6個步長的電機控制原理圖。

　　ST72141中的電機控制是基于標準的三個半橋6個步長控制原理。

　　T1、T3、T5是電機A、B和C繞組相的上端晶體管。

　　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。

圖4 事件時序示意圖

　　如圖3所示，反電動勢和相繞組的電流同方向時，效率最佳。

　　ST72141可以有2種不同的驅動模式：電壓模式和電流模式。電流模式下，通過改變電機的參考電流而改變力矩的大小（因為力矩和電流成正比）。電流的控制是通過PWM來調(diào)整的。電壓模式下，通過改變電機的參考電壓來改變速度。這種模式不是直接控制電流，但設置了電流的最高限制，即力矩可達的最大值。電壓的控制也是通過改變PWM周期來實現(xiàn)的。

　　電機速度的調(diào)整使用閉環(huán)實現(xiàn)。ST72141內(nèi)部有2個速度調(diào)整回路。第1個回路是自動換向時效率的調(diào)整回路。這個回路使得反電動勢和相繞組的電流信號同方向。第2個回路是速度調(diào)整回路，可使電機維持在設定的速度。

　　ST72141對電機控制基于3個事件的處理：反電動勢過零點事件（Z事件）、換向（C事件）、 向繞組去磁結束（D事件），如圖4所示。

　　去磁結束和反電動勢過零點是物理事件，但是換向事件是通過ST72141計算得來的，也就是計算過零點事件和下一個換向之間的延遲時間。如果速度加快，過零點事件將更早發(fā)生，延遲必須減小以使反電動勢和相繞組的電流同方向。

　　ST72141的電機控制外設總是以相同的次序處理這3個事件：Z事件在計算的延遲之后產(chǎn)生C事件，然后等待D事件。電機啟動時，根據(jù)檢測到一定的連續(xù)Z事件后進入自動換向模式。

圖5 過零點事件檢測原理

　　ST72141中，Z事件（過零點）和D事件（去磁結束）的檢測由相同的外設部分處理。這些信號通過ST72141的MCIA，MCIB和MCIC三個引腳輸入。過零點事件（Z事件）檢測的原理如圖5所示。

　　圖5所示為電機控制的兩種狀態(tài)。在圖5左部，繞組C已經(jīng)去磁。在大約20μs之后，讀取反電動勢的窗口打開。在T1關閉時，電流流經(jīng)續(xù)流二極管，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。