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用ST72141實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的控制
摘要：意法半導(dǎo)體的ST72141是專門(mén)用在無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）控制的單片機(jī)。內(nèi)部包含意法半導(dǎo)體自有的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)專利技術(shù)，專門(mén)用于電機(jī)控制的片內(nèi)外設(shè)，大大減少了電機(jī)控制系統(tǒng)的成本，簡(jiǎn)化了電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。引 言
1 概 述
ST72141是ST公司專門(mén)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。無(wú)刷直流電機(jī)可用于工業(yè)控制、汽車電子產(chǎn)品、電冰箱、空調(diào)、壓縮機(jī)和風(fēng)扇等產(chǎn)品。無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率高、工作噪聲低、體積小、可靠性好和壽命長(zhǎng)。
ST72141是ST7微控制器家族產(chǎn)品中的一員。它包括A/D轉(zhuǎn)換和SPI接口，有專門(mén)用于無(wú)刷直流電機(jī)控制的片內(nèi)外設(shè)，可選擇帶傳感器模式和不帶傳感器模式。
ST7片內(nèi)的電機(jī)控制電路可看成是一個(gè)脈寬調(diào)制多路復(fù)用器。它有6路輸出和1個(gè)用在無(wú)刷直流電機(jī)不帶傳感器控制時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)檢測(cè)電路。
ST72141的電機(jī)控制外設(shè)有4個(gè)主要的部分：
◇ 去磁結(jié)束和反電動(dòng)勢(shì)零點(diǎn)的檢測(cè)電路；
◇ 延遲管理電路；
◇ PWM管理電路（需要PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)）；
◇ 通道管理電路。
ST72141在無(wú)刷直流電機(jī)中的典型應(yīng)用如圖1所示。
圖2 6步長(zhǎng)120度的驅(qū)動(dòng)模式
2 無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理
無(wú)刷直流電機(jī)包含2個(gè)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(dòng)的轉(zhuǎn)子。定子是電機(jī)的引導(dǎo)部分；轉(zhuǎn)子是電機(jī)的感應(yīng)部分。無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部電樞的轉(zhuǎn)子是一個(gè)永磁體。這個(gè)電樞由恒流源供電。定子可以有多相（這里以3相為例）。電機(jī)是同步電機(jī)。無(wú)刷永磁體直流電機(jī)是同步電機(jī)，定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度相同。
反電動(dòng)勢(shì)是使用ST72141在不帶傳感器模式下驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)。反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、流過(guò)轉(zhuǎn)子的磁通和相應(yīng)繞組的轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)置力矩限閾值（即電流的閾值）。
3 ST72141用于無(wú)刷直流電機(jī)控制
圖2為采用6個(gè)步長(zhǎng)的電機(jī)控制原理圖。
ST72141中的電機(jī)控制是基于標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)半橋6個(gè)步長(zhǎng)控制原理。
T1、T3、T5是電機(jī)A、B和C繞組相的上端晶體管。
T2、T4、T6是電機(jī)A、B和C繞組相的下端晶體管。
在步長(zhǎng)1時(shí)，相A為正向偏壓，所以這個(gè)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(fù)向的。這時(shí)C相繞組沒(méi)有施加電源。
無(wú)刷模式下，使用ST72141控制電機(jī)，可以讀取這個(gè)沒(méi)有施加電源的相繞組反電動(dòng)勢(shì)（這里以繞組相C為開(kāi)始的步長(zhǎng)1）。通過(guò)讀取這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，可以確定轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。
圖4 事件時(shí)序示意圖
如圖3所示，反電動(dòng)勢(shì)和相繞組的電流同方向時(shí)，效率最佳。
ST72141可以有2種不同的驅(qū)動(dòng)模式：電壓模式和電流模式。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小（因?yàn)榱睾碗娏鞒烧龋ｋ娏鞯目刂剖峭ㄟ^(guò)PWM來(lái)調(diào)整的。電壓模式下，通過(guò)改變電機(jī)的參考電壓來(lái)改變速度。這種模式不是直接控制電流，但設(shè)置了電流的最高限制，即力矩可達(dá)的最大值。電壓的控制也是通過(guò)改變PWM周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
電機(jī)速度的調(diào)整使用閉環(huán)實(shí)現(xiàn)。ST72141內(nèi)部有2個(gè)速度調(diào)整回路。第1個(gè)回路是自動(dòng)換向時(shí)效率的調(diào)整回路。這個(gè)回路使得反電動(dòng)勢(shì)和相繞組的電流信號(hào)同方向。第2個(gè)回路是速度調(diào)整回路，可使電機(jī)維持在設(shè)定的速度。
ST72141對(duì)電機(jī)控制基于3個(gè)事件的處理：反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)事件（Z事件）、換向（C事件）、 向繞組去磁結(jié)束（D事件），如圖4所示。
去磁結(jié)束和反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)是物理事件，但是換向事件是通過(guò)ST72141計(jì)算得來(lái)的，也就是計(jì)算過(guò)零點(diǎn)事件和下一個(gè)換向之間的延遲時(shí)間。如果速度加快，過(guò)零點(diǎn)事件將更早發(fā)生，延遲必須減小以使反電動(dòng)勢(shì)和相繞組的電流同方向。
ST72141的電機(jī)控制外設(shè)總是以相同的次序處理這3個(gè)事件：Z事件在計(jì)算的延遲之后產(chǎn)生C事件，然后等待D事件。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到一定的連續(xù)Z事件后進(jìn)入自動(dòng)換向模式。
圖5 過(guò)零點(diǎn)事件檢測(cè)原理
ST72141中，Z事件（過(guò)零點(diǎn)）和D事件（去磁結(jié)束）的檢測(cè)由相同的外設(shè)部分處理。這些信號(hào)通過(guò)ST72141的MCIA，MCIB和MCIC三個(gè)引腳輸入。過(guò)零點(diǎn)事件（Z事件）檢測(cè)的原理如圖5所示。
圖5所示為電機(jī)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(dòng)勢(shì)的窗口打開(kāi)。在T1關(guān)閉時(shí)，電流流經(jīng)續(xù)流二極管，A點(diǎn)為地。假設(shè)A相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為Ea，B相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為Eb，C相繞組的反電動(dòng)勢(shì)為Ec。當(dāng)Ec過(guò)零點(diǎn)時(shí)，有Ea=-Eb，這樣N處為零電勢(shì)。這就意味著可以不需要虛擬地就可以獲得需要的反電動(dòng)勢(shì)的信息。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)事件通過(guò)輸出比較器獲得，無(wú)傳感器模式時(shí)，一定頻率的PWM信號(hào)加在T1上。C的電壓被鉗
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