關鍵詞 無刷直流電機（BLDC） 單片機 電機控制
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1 ST72141典型的應用結構示意圖
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。
圖2 6步長120度的驅動模式
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。
如圖3所示,反電動勢和相繞組的電流同方向時,效率最佳。
圖3 一個相繞組中的反電動勢和電流波形
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。
圖4 事件時序示意圖
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。
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 過零點事件檢測原理
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。
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。
