CN103051262A - 一种基于stm32的无刷直流电机电子调速器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于STM32的无刷直流电机电子调速器，它由STM32微控制器、功率驱动电路、三相逆变电路、电压、电流监测电路、通信模块电路、反电动势检测电路和指示灯电路等组成，STM32微控制器采用H-PWM-L-ON的方式通过功率驱动电路驱动三相逆变电路，对电机进行两两导通三相六状态控制，在PWM的高电平区间同步检测反电动势过零点信号，三相端电压通过反电动势检测电路在STM32微控制器中以AD注入组方式进行转换，在软件中通过比较相应的端电压和中心点电压，从而获取反电动势过零点信号，AD注入组转换由TIM1_CC***触发，电源电压、电流和温度的检测则以AD规则组连续循环扫描方式转换，通过DMA通道发送到相应的RAM,与采用单片机的电子调速器相比，本发明抗干扰能力较强，硬件空间小，性能较高，并具有多种通信方式的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机电子调速器，特别是用于航模领域的无刷直流电机电子调速器。
背景技术
在各种航模中，电子调速器是航模中的重要部件，主要用于接收航模的控制指令信号，并根据信号进行调速，现有的无传感器无刷直流电机常用的转子位置检测方法是反电动势过零点检测方法，通常使用电子调速器进行检测，在传统的航模电子调速器中，控制器基本上都是用单片机，由于受单片机运算能力的制约，采用单片机的电子调速器的运行速度不会很高，其反电动势过零点检测方法通常是用电压比较器直接比较相电压和虚拟中心点的电压，这种检测方式的缺点是抗干扰能力较弱，还会发生一定的误检，有些单片机甚至没有自带电压比较器，因此就需要对其扩展该功能模块，这样硬件占用的空间就会变大，进而增加了航模的重量，这对提高航模的使用性能和灵巧性不利，以单片机为控制器的电子调速器还存在通信方式单一的问题，这很不利于调速器的扩展使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于STM32的无刷直流电机电子调速器，这种采用STM32微控制器电子调速器可极大的提高运行速度，其高精度的快速转换ADC用于反电动势的过零点检测，可有效地解决上述的缺点和问题。
为解决上述技术问题和实现上述目的，本发明提供的基于STM32的无刷直流电机电子调速器，包括STM32微控制器、功率驱动电路、三相逆变电路、电压监测电路、电流监测电路、通信模块电路、反电动势检测电路、指示灯电路和电源电路。STM32微控制器的TIM1高级定时器的CH1、CH2、CH3端口分别与功率驱动电路的高边控制端HIN相连，PD9、PD10、PD11端口分别与功率驱动电路的低边控制端LIN相连，STM32微控制器的ADC_IN1、ADC_IN2、ADC_IN3端口与反电动势检测电路相连，STM32微控制器的ADC_IN4端口与电流监测电路相连，STM32微控制器的ADC_IN5端口与电压监测电路相连，电源电路与STM32微控制器、功率驱动电路、三相逆变电路相连，STM32微控制器采用H-PWM-L-ON的方式通过功率驱动电路驱动三相逆变电路，对电机进行两两导通三相六状态控制，在PWM的高电平区间同步检测反电动势过零点信号，三相端电压通过反电动势检测电路在STM32微控制器中以AD注入组方式进行转换，在软件中通过比较相应的端电压和中心点电压，从而获取反电动势过零点信号，AD注入组转换由TIM1_CC***触发，电源电压、电流和温度的检测以AD规则组连续循环扫描方式转换，通过DMA通道发送到相应的RAM,实时监测电源电压、工作电流和温度的变化；端电压则以AD注入组方式转换，并在中断中读取注入组转换值。
在本发明中，利用STM32微控制器内部的温度传感器实时监测电子调速器的温度，当温度大于所设定的温度阈值时，电机进行减速控制。
所述的通信模块电路由接收机接口、I2C接口和UART接口组成，其中接收机接口带有电源线和信号线，信号线与STM32的TIM3定时器CH1端口相连，使通信模块电路能自动识别所给信号的方式，有利于实现多种通信方式。
所述的指示灯电路由红色LED灯和绿色LED灯的控制电路组成，在电机正常运转、启动失效、发生堵转、电流过大或温度过高时，相应的LED灯产生不同的显示状态。
所述的三相逆变电路由六个相同的N沟道MOSFET管组成桥式电路，实现对电机进行六步换相控制，N沟道MOSFET管采用IRF3205。
所述的功率驱动电路由三个集成驱动芯片构成，每个驱动芯片分别驱动每相的上下臂MOSFET管，驱动芯片采用IR2101S。
所述的电压监测电路由电阻构成的分压电路组成，与STM32微控制器的ADC_IN5端口相连接，当电压低于所设的电压阈值时，红色LED灯发出常亮指示信号。
所述的电流监测电路与三相逆变电路连接，并与STM32微控制器的ADC_IN4端口相接，当发生堵转等引起的电流过大时，电流监测电路使电机关闭，并使红色LED指示灯闪烁。
所述的反电动势检测电路为六个电阻组成的分压电路，分别与STM32微控制器的ADC_IN1、ADC_IN2、ADC_IN3端口相连接，通过对三相端电压进行降压，使之符合STM32微控制器的AD转换电压范围。
所述的STM32微控制器采用STM32F103VBT6。
本发明由于采用了高性价比的STM32作为控制器，使航模电子调速器的稳定性和实时性大大提高，并增强了抗干扰能力，缩小了硬件空间，还使电子调速器具有多种通信方式和实时监测温度变化的功能特点，可有效提高航模的操控性能和使用功能。
附图说明
图1为本发明一实施方式的结构示意图。
图2为本发明一实施方式的电路原理图。
图3为本发明一实施方式的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明的做进一步描述。
按照图1所示本发明一实施方式的结构示意图，它由STM32微控制器101、功率驱动电路105、三相逆变电路106、电压监测电路102、电流监测电路109、通信模块电路108、反电动势检测电路110、指示灯电路104和电源电路103组成，STM32微控制器101分别与通信模块电路108、功率驱动电路105、反电动势检测电路110、电压监测电路102、电流监测电路109和指示灯电路104相连，三相逆变电路106与功率驱动电路105和无刷直流电机107相连，电源电路103则与STM32微控制器101、功率驱动电路105、三相逆变电路106相连。
在图2所示的本发明一实施方式电路原理图中，STM32微控制器201为***的控制核心，控制无刷直流电机的启动、闭环运行，并检测反电动势过零点信号，获取通信信号，实时监测电压、电流和温度，其中STM32微控制器201的TIM1高级定时器的CH1、CH2、CH3端口分别与功率驱动电路205的高边控制端HIN相连，PD9、PD10、PD11端口则分别与功率驱动电路205的低边控制端LIN相连，采用H-PWM-L-ON的方式通过三相逆变电路206对电机进行两两导通三相六状态控制，在本实施例中STM32微控制器201采用STM32F103VBT6。
功率驱动电路205由三个集成驱动芯片构成，每个驱动芯片分别驱动每相的上下臂MOSFET管，芯片采用IR2101S，驱动芯片的供电电压与电源电压一致；三相逆变电路206由六个相同的N沟道MOSFET管组成桥式电路，实现对电机的六步换相控制，本实施例中，N沟道MOSFET管采用IRF3205。
通信模块电路208由接收机接口、I2C接口和UART接口组成，其中接收机接口有电源线和信号线，信号线与STM32微控制器201的TIM3定时器CH1端口相接，I2C接口和UART接口分别由STM32微控制器201的PB6、PB7端口与PD5、PD6端口引出，使通信模块电路208能自动识别所给信号的方式，从而可实现多种通信方式。
指示灯电路204由红色LED灯和绿色LED灯的控制电路组成，分别通过限流电阻连接在STM32微控制器201的PC6和PC7端口，在电机正常运转、启动失效、发生堵转、电流过大或温度过高时，相应的LED灯产生不同的状态。
电压监测电路202由电阻构成的分压电路组成，与STM32微控制器201的ADC_IN5端口相连，用于实时监测电机的供电电压，当电压低于所设的电压阈值时，发出指示信号，红色LED灯处于常亮状态。
电流监测电路209连接于三相逆变电路206，并与STM32微控制器201的ADC_IN4端口相连，电流监测电路209用于实时检测电机回路中的电流，当发生堵转等引起电流过大时，电流监测电路209使电机207关闭，同时红色LED灯闪烁五下。
反电动势检测电路210是由六个电阻组成的分压电路，把分别与STM32微控制器201的ADC_IN1、ADC_IN2、ADC_IN3端口相连，把三相端电压进行降压，使其符合STM32微控制器201的AD转换电压范围。
按图3所示的本发明一实施方式的工作流程示意图，程序开始S301运行时，先进行一系列的初始化S302，包括时钟初始化、端口配置初始化、定时器初始化、AD转换初始化、DMA功能初始化、中断初始化，其中在AD转换初始化配置中设置规则组和注入组，电源电压、电流和温度的检测以AD规则组连续循环扫描方式转换，并通过DMA通道发送到相应的RAM，端电压以AD注入组方式转换，并在中断中读取注入组转换值。
初始化S302完成之后，如接收到通信信号S303，在启动命令S304下电机开环启动S305，电机的启动采用三段式启动法，即在开环下先导通两相，对转子进行定位，定位后以外同步的方式使电机逐渐加速，当加速到可以正确检测反电动势信号S306的状态时，切换到自同步方式，使电机进入闭环运行S307状态，此时电机的速度由所接收到的通信信号PWM占空比大小进行调节。
在电机闭环运行S307的过程中进行反电动势过零点信号检测S308，如在所预设的时间内没有检测到反电动势过零点信号，则对电机进行强制换相S309，并判断电机是否发生了堵转，如发生了堵转，STM32微控制器发出关闭电机S310信号，使电机停止运行；如检测到反电动势过零点信号,则在换相控制S311的处理下进行换相，换相后即在软件中检测调速指令S312，使电机的速度得到及时调节。
本发明充分利用STM32微控制器的AD规则组和注入组结合的方式，AD规则组用于电源电压、电流和温度的检测，极大地提高了监测的实时性，使***的保护能力得到了增强，AD注入组用于检测端电压，由TIM1_CC***触发，一旦触发事件发生，规则组被中断，转入注入组的转换即可得到端电压转换值，然后在软件中比较相应端电压和中心点电压来获取相应检测相的反电动势，进而判断过零点事件是否发生，如发生则再过30度电角度便可换相，注入组转换完成之后，跳转到原来规则组被中断处继续规则组的循环转换。
TIM1_CC***设置在用于驱动的PWM高电平区间发生，这样反电动势过零点信号就在PWM高电平区间进行同步检测，检测精度与PWM频率有关，适当提高PWM频率就可以提高检测精度，在本发明中，把TIM1高级定时器的频率设置为60kHz。
本发明所述的一种基于STM32的无刷直流电机电子调速器，并不仅限于以上的具体实施方式，任何对上述基于STM32的无刷直流电机的电子调速器的流程和结构所进行的修改或结构变形均属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于STM32的无刷直流电机电子调速器，其特征在于包括：STM32微控制器、功率驱动电路、三相逆变电路、电压监测电路、电流监测电路、通信模块电路、反电动势检测电路、指示灯电路和电源电路；所述STM32微控制器的TIM1高级定时器的CH1、CH2、CH3端口分别与功率驱动电路的高边控制端HIN相连，PD9、PD10、PD11端口分别与功率驱动电路的低边控制端LIN相连，STM32微控制器的ADC_IN1、ADC_IN2、ADC_IN3端口与反电动势检测电路相连，STM32微控制器的ADC_IN4端口与电流监测电路相连，STM32微控制器的ADC_IN5端口与电压检测电路相连；所述电源电路与STM32微控制器、功率驱动电路、三相逆变电路相连，并且其特征在于：STM32微控制器用H-PWM-L-ON的方式通过功率驱动电路驱动三相逆变电路，对电机进行两两导通三相六状态控制，在PWM的高电平区间同步检测反电动势过零点信号，三相端电压通过反电动势检测电路在STM32微控制器中以AD注入组方式进行转换；以及在软件中通过比较相应的端电压和中心点电压，获取反电动势过零点信号；上述AD注入组转换由TIM1_CC***触发；电源电压、电流和温度的检测以AD规则组连续循环扫描方式转换，通过DMA通道发送到相应的RAM；端电压以AD注入组方式转换，并在中断中读取注入组转换值。
2.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：利用STM32微控制器内部的温度传感器监测电子调速器的温度，当温度大于所设定的温度阈值时，电机进行减速控制。
3.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述通信模块电路由接收机接口、I2C接口和UART接口组成，其中接收机接口带有电源线和信号线，信号线与STM32微控制器的TIM3定时器CH1端口相接，I2C接口和UART接口分别由STM32微控制器的PB6、PB7端口与PD5、PD6端口引出，使通信模块电路自动识别所给信号的方式。
4.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述的指示灯电路由红色LED灯和绿色LED灯的控制电路组成，分别通过限流电阻连接在STM32微控制器的PC6和PC7端口，在电机正常运转、启动失效、发生堵转、电流过大或温度过高时，相应的LED灯产生不同的显示状态。
5.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述三相逆变电路由六个相同的N沟道MOSFET管组成桥式电路，对电机进行六步换相控制，N沟道MOSFET管采用IRF3205。
6.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述功率驱动电路由三个集成驱动芯片构成，每个驱动芯片分别驱动每相的上下臂MOSFET管，驱动芯片采用IR2101S，且驱动芯片的供电电压与电源电压一致。
7.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述电压监测电路由电阻构成的分压电路组成，与STM32微控制器的ADC_IN5端口相连接，用于监测电机的供电电压，当电压低于所设的电压阈值时，LED灯发出红色指示信号；所述的电流监测电路与三相逆变电路连接，并与STM32微控制器的ADC_IN4端口相连，用于检测电机回路中的电流，在发生堵转等引起电流过大时，电流监测电路使电机关闭，并使红色LED指示灯闪烁。
8.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述的反电动势检测电路为六个电阻组成的分压电路，分别与STM32微控制器201的ADC_IN1、ADC_IN2、DC_IN3端口相连接，通过对三相端电压进行降压，使之符合STM32微控制器的AD转换电压范围。
9.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述的STM32微控制器采用STM32F103VBT6。
10.根据权利要求1所述的电子调速器，其特征在于：所述TIM1_CC***设在用于驱动的PWM高电平区间发生，反电动势过零点信号在PWM高电平区间进行同步检测，TIM1高级定时器的频率设置为60kHz。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130417 |