用ST72141实现无刷直流电机的控制 [日期：2004-12-8] 来源：单片机及嵌入式系统应用 作者：意法半导体深圳代表处 万 诚 [字体：电子产品、电冰箱、空调、压缩机和风扇等产品。无刷直流电机的优点是效率高、工作噪声低、体积小、可靠性好和寿命长。

　　ST72141是ST7微控制器家族产品中的一员。它包括A/D转换和SPI接口，有专门用于无刷直流电机控制的片内外设，可选择带传感器模式和不带传感器模式。

　　ST7片内的电机控制电路可看成是一个脉宽调制多路复用器。它有6路输出和1个用在无刷直流电机不带传感器控制时的反电动势零点检测电路。

ST72141的电机控制外设有4个主要的部分：

◇ 去磁结束和反电动势零点的检测电路；

◇ 延迟管理电路；

◇ PWM管理电路（需要PWM信号来驱动电机）；

◇ 通道管理电路。

ST72141在无刷直流电机中的典型应用如图1所示。

晶体管。

　　T2、T4、T6是电机A、B和C绕组相的下端晶体管。

　　在步长1时，相A为正向偏压，所以这个绕组中的电流是正向的；相B为反向偏压，所以这相绕组中的电流是负向的。这时C相绕组没有施加电源。

　　无刷模式下，使用ST72141控制电机，可以读取这个没有施加电源的相绕组反电动势（这里以绕组相C为开始的步长1）。通过读取这个反电动势，可以确定转子的实际位置。

二极管，A点为地。假设A相绕组的反电动势为Ea，B相绕组的反电动势为Eb，C相绕组的反电动势为Ec。当Ec过零点时，有Ea=-Eb，这样N处为零电势。这就意味着可以不需要虚拟地就可以获得需要的反电动势的信息。反电动势过零点事件通过输出比较器获得，无传感器模式时，一定频率的PWM信号加在T1上。C的电压被钳位二极管钳位在＋5V/0.6V（而需要关注的是过零点）。这里的分析同样适应于电机绕组为三角型连接。

　　比较器的一个输入是C相绕组的电压信号，另一个输入是一个门槛电压（通过软件可选择0.2、0.6、1.2和2.5V）。ST72141等待C相绕组的反电动势到达选择的阈值电压。PWM信号施加在T1上，当T1关闭时，C相绕组的电压为地。因此，ST72141只需要读取反电动势就可以检测到到达这个阈值的时间点。

　　检测去磁结束事件的方法和过零点事件相同，并使用相同的外设。电机控制按照固定的顺序处理这三个事件，Z事件后经过一段延迟，产生一个C事件，然后等待一个D事件。

图6 去磁结束事件

　　在换向之后，开始相绕组加速去磁。为了避免过早地检测去磁结束事件，换向之后有20μs的滤波时间，如图6所示。为了避免检测去磁结束事件太晚，去磁结束的检测使用相同的比较器，但是取样频率是800kHz。

　　无传感器模式下，比较器的输出取样频率在过零点事件时是PWM信号，在去磁结束事件检测时是800kHz。

4 电机的启动和控制举例

　　这里以2个极对数的电机的启动为例。电机启动后目标速度是1400r/min。启动电机之前，必须预先固定位置。刚启动时，反电动势信号太弱，不能读取。读取反电动势信号前的过程中，电流必须提供>(负载力矩＋摩擦力矩＋电机的惯性负载的力矩)。故启动时，ST72141定时器A的PWM占空比在启动过程中必须高于一般运行下需要的值。

　　一定步长后，为了检测到过零点事件，需要一个特别的方法启动电机，称为同步（强制换向）模式，或者称为电机根据加速表加速的过程。

图7 启动过程

　　一定的步长之后，施加连续逐渐增加的步长时间和电流给电机，使电机加速，并可检测到一个过零点事件。电机加速过程中检测指定数量连续的Z事件之后，开始调整，使得电机高效率运行，即电机进入自动换向模式。如果在加速表取完后，电机还不能进入自动换向模式下，电机将停止。图7所示为闭环模式下电机的启动过程。

　　开环模式下的启动过程也一样，只是电流或者电压在电机进入自动换向模式之后可以由用户改变。闭环模式下，电流或者电压的限值由用户强制施加且固定，直到电机进入速度调整。进入速度调整后，电流不再由用户控制（ST72141自动调整）。闭环控制模式下，不论是哪种控制模式（电流或者电压），速度调整回路启动。电机在单片机的控制下，固定运行在速度表决定的速度上。