基于ST72141芯片的无刷直流电动机控制系统

　　摘要：本文介绍一种基于ST72141专用电机控制芯片的无刷直流电动机控制系统，简述了其
自有的反电动势检测原理及实现该系统控制的硬件设计和软件设计。
　　关键字：无刷直流电动机；ST72141；控制系统
　　中图分类号：TM921.5文献标示码：A
      Brushless DC Motor Control System Based on ST72141 Chip
      Ye Zhenfeng, Lei Huaigang, Cui Hongjun
      (Shanghai University, Shanghai 2000072)
      Abstract：The paper introduces a control system based on ST72141 chip designed specifically for motor control, presents its principle of sensing the Electromotive Force and describes the hardware and software design solution for BLDCM control system..
      Key words：brushless DC motor; ST72141; control system

　　1.引言
　　无刷直流电动机由于转子采用永磁材料励磁，无励磁损耗，具有体积小、重量轻、结构简单、维护方便、运行可靠、高效节能易于控制等优点，同时，无刷直流电动机是利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器,因此,无刷直流电动机保留了普通直流电动机优良的
机械特性，从而在军民各个领域得到了广泛应用。
     无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的,因此,采用单片机为主的
数字控制是无刷直流电动机的主要控制手段之一。本文介绍一种ST72141专用电机控制芯片,可实现无转子位置传感器无刷直流电动机的精确控制,无需霍尔传感器,只需通过三个电阻将电机的三相绕组直接与ST7214芯片的输入接口相连即可得到电机转子的位置信息,简化了系统结构及控制策略,降低了系统成本,具有结构简单可靠、易于实现等特点。
　　2.原理
　 无刷直流电动机在运行时,需要转子的位置信号,以控制逆变器中功率管的换流,从而实现定子磁场与转子的同步运行。多数无刷直流电机都是靠位置传感器来实现转子位置的检测,这些传感器不仅增加了成本,使系统连接更加复杂,而且,由于传感器本身存在的缺陷,如精
度不够,对环境条件敏感,使得整个系统的可靠性得不到保证。
     常采用的无位置传感器控制策略是传统的反电动势过零检测法（端电压检测和相电压检测）,由于传统的反电动势过零检测法需要进行分压和滤波。分压则降低了低速运行时过零信号检测的敏感度，特别是在反电动势信号较弱的起动过程；滤波则导致过零信号相移，随着转速的提高，其相移量也增大，这种相移的变化增加了高速时换相控制实现的复杂程度。
     本文将介绍ST72141芯片自有的反电动势检测技术——直接检测反电动势法。直接检测反电动势检测是采用上管PWM、下管恒通的调制方式，在PWM斩波期间直接检测出反电动势的。现对这直接检测反电动势法作一简要分析：主电路原理图如图1所示，A相和B相导通，C相悬浮，电流流过VT1和VT6管，当VT1关断时，二极管D4续流，由于C相上无电流流过，故C相端电压CV即为C相反电动势电压。
     
     

　　由上面分析可知，在A相VT1PWM关断时，二极管D4续流，C相端电压对应比例于C相反电动势，且是以地为基准的。由ST72141芯片特殊的内部结构，通过三个电阻将电机的三相绕组直接与ST72141芯片的输入引脚（MCIA、MCIB和MCIC）相连即可得到反电动势过零信号，此时，得到的反电动势过零信号没有经过任何衰减和相移，因此，反馈信号具有高信躁比，同时，工作频率范围无论在低速还是高速都得到了扩展，当然，系统的成本也得到了降低。
　　3.硬件结构
　　ST72141是ST公司专门用于同步电机控制的一款单片机，特别适合3相无刷直流电机的控制。它的主要资源及特点包括：8位中央处理内核，支持增强指令集；256字节的RAM内存，8K字节的ROM；14路复用I/O口；两个16位定时器，一个看门狗定时器；SPI接口；8位模拟数字转换输入；外部晶振为8/16MHz，内分频为4/8MHz；电机控制外设（六路PWM输出、8位硬件乘法器、三路检测转子位置专用模拟输入、两片上模拟比较器）。
　　ST72141对无位置传感器无刷直流电动机的驱动主要由片内集成的电机控制外设（MTC）来完成。ST72141的电机控制外设由去磁结束和反电动势过零点的检测电路、延迟管理器、PWM管理器（需要PWM信号来驱动电机）和通道选择管理器等四部分组成。
      图2给出了由ST72141芯片组成的控制系统电路结构图。该系统可工作于电压模式或电流模式。ST72141芯片提供两种工作模式：电压模式和电流模式。在电流模式下，通过改变电机的参考电流而改变力矩的大小（力矩和电流成正比），电流的控制是通过PWM来调整的。在电压模式下，通过改变电机的参考电压来改变速度，同时，可设置电流的最大值，即力矩可达到的最大值。电压的控制也是通过改变PWM的占空比来实现的。
　　功率电路部分采用典型的交-直-交电压型功率变换器结构。由单相工频电压经全波整流为二倍频的直流脉动电压，后接平滑滤波电容进行滤波，得到稳定的直流电压，然后，经三相逆变桥（IPM模块）逆变为三相交流电压，以驱动无刷直流电动机。功率电路的核心部分是逆变，实现逆变的PWM脉冲驱动信号是由ST72141芯片控制完成的。

　　IPM智能功率模块具有许多优点。它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且内含过电流保护电路（OC）、短路保护电路（SC）、驱动电源欠压保护电路（UV）、过热保护电路（OH）及报警输出电路（ALM），向外部输出故障报警，当OH及OC、UV保护动作时，IPM模块通过/MCES引脚向ST72141芯片输入异常信号，能停止系统工作，能切实地起到保护控制系统。
     

　　由于在无传感器模式下是通过检测反电动势过零点确定转子位置的,当转子静止或转速较低时,反电动势信号为零或幅值太小而无法被MTC检测,因此必须采用一种特殊的起动方式来起动电机。具体地,首先通过给电枢绕组通一定的电流信号使转子自动转到特定、已知的位置,这个过程称之为转子预定位;当转子到达预定的位置时,施加连续逐渐增加的步长时间和电流给电机，使电机加速，在电机加速过程中检测到指定数量的连续过零事件之后，电机便自动切换至自控同步运行方式。整个启动过程是通过软件编程来控制的。
　　4.软件设计
　　软件设计是系统设计的重要组成部分，它和MCU一起共同构成控制部分的核心，几乎完成所有功能的控制。本系统软件由主程序和中断服务子程序组成。
　　4.1主程序
　　主程序主要包括初始化部分和循环主体部分,如图3所示。其中，初始化部分包括系统资源初始化、各变量初始化；主程序循环主体部分主要包括A/D采样、加减速率计算等。
　　4.2中断服务子程序
　　中断服务子程序主要包括电压过零中断（Z）、换相中断（C）、串行中断等。
      串行中断程序是用来与上位机进行通信的。
　　换相中断程序包括四个不同事件的处理，他控异步处理子程序；他控异步末拍处理子程序；自控同步首拍处理子程序；自控同步处理子程序。其流程图如图4所示。
　　电压过零中断程序主要是用来判定电机何时进入自同步运行，而在系统进入自同步运行阶段后，过零中断程序中不进行任何操作，直接返回主程序。
     

　　5.结语
　　ST72141芯片是一种专门用于无刷直流电动机驱动的单片机,片内集成专门用于电机控制的片内外设，可在带限流的调压模式或直接调节电流的电流模式(直接转矩控制)下工作。利用ST72141专用电机控制芯片构成的无刷直流电动机控制系统，具有线路简单、控制方便、完善的保护功能，同时，它的成本低、可靠性较高、实用性强，因此，具有较好的应用价值。

      参考文献：
      [1]. ST Datasheet, “8-MCU with Electric-Motor Control, ADC, 16-bit Timers, SPI Interface.”
      STMicro, 2002.
      [2]. Jianwen Shao, Nolan,D., Hopkins,T., A novel direct back EMF detection for sensorless
      brushless DC motor drives, APEC 2002. Volume:1,March 2002,pages:33-37.
      [3]. 张相军. 无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究. 上海大学博士论文，2000（12）.