STM32 电机教程 14 - BLDC 电机速度闭环控制

前言

无刷直流 (Brushless Direct Current, BLDC)电机是一种正快速普及的电机类型,它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。正如名称指出的那样,BLDC 电机不用电刷来换向,而是使用电子换向。BLDC 电机和有刷直流电机以及感应电机相比,有许多优点。其中包括:

• 更好的转速-转矩特性

• 快速动态响应

• 高效率

• 使用寿命长

• 运转无噪音

• 较高的转速范围此外,

由于输出转矩与电机体积之比更高,使之在需要着重考虑空间与重量因素的应用中,大有用武之地。

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无刷电机

 

上一讲《STM32 电机教程 13 - BLDC 电机转速计算》已经介绍了如何计算出BLDC电机(带HALL传感器)的实际转速 -- 利用hall传感器及中断事件计算电机转速,以1对极BLDC电机为例,电机转动一圈,会产生6个HALL状态,每个状态对机60度的机械角度,如果使用了STM32 定时器的HALL传感器接口功能,可以直接在定时器的中断里计算电机转速speed = 60/360/t (转每秒),t为对两次中断的时间间隔,可以很简单地通过定时器中获得,得到速度后就可以实现对电机速度的闭环控制, 本节将基于NUCLEO-F103RB和X-NUCLEO-IHM07M1 3SH实现BLDC电机速度闭环控制!

本节所用电机为2836无刷电机,电机有两组线(hall传感器线和电机三相线),工作电压24V,最大转速12000rpm:

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示例详解

本节用到ST官方推出的NUCLEO-F103RB和X-NUCLEO-IHM07M1 3SH 开发板。

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NUCLEO-F103RB对应的大致原理接线图:

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X-NUCLEO-IHM07M1 3SH部分原理图:

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  1. 准备操作

    1. X-NUCLEO-IHM07M1 3SH是一款专门用于PMSM(永磁同步)或BLDC(直流无刷 )的电机驱动板,其电机驱动板驱动芯片型号为L6230(详细数据手册可在st官网下载),本节需用到IN1,IN2, IN3和OUT1,OUT2,OUT3, HALL传感器信号接口H1,H2,H3以及单电阻电流采样接口PC1。

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需要用到的信号

对应MCU引脚

EN1

PC10

IN1

PA8

EN2

PC11

IN2

PA9

EN3

PC12

IN3

PA10

H1

PA15

H2

PB3

H3

PB10

速度参节电位器

PB1

电流采样接口

PC1

 

本节直接使用STM32的TIM1产生三路PWM波对应信号IN1、IN2、IN3,通过调节PWM波占空比实现电机的速度控制;将EN1、EN2、EN3配置成普通输出IO口输出模式,H1,H2,H3配置成TIM2的hall传感器模式,并开启T1的捕获中断,中断触发模式为双边触发模式(实际使用TRC信号),在中断服务程序中实理更加快带的电机换相(6步换步)操作,PB1,PC1配置成AD采样引脚,其中PB1是速度参考电位器输入引脚 ,PC1是电机电流采样引脚 ,本节以电机在2个PWM周期内采多个64,以这64个点的平均值作为电机的平均电流。

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  1. 在STM32CubeMX中,有专门的NUCLEO-F103RB工程模板,新建一个Cube工程,芯片型号为st32f103rb:

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生成一个简单的工程模板实现了RCC,SYS,USART2接口的配置,同时还实现了LD2(LED)引脚的配置。接下来手动配置各功能模块,首先是TIM1,配置成三路PWM 模式1输出,PWM载波频率是20Khz = 72M/(2+1)/(1199+1),各通道初始PWM波是500:

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使能TIM1的UPDATA中断,在中断服务程序中完成电流PID运算及控制:

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接下来是TIM2配置,开启三路输入捕获功能,使能XOR功能,开启定时器中断:

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上图中所述想要直接利用TIM2的HALL传感器功能,仅在CUBE中配置是不点问题的,原因如下,在配置输入捕获通道时,很多模式不可选:

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而要真正实现STM32的定时器HALL传感器接口功能,除了要开启XOR功能外(在CUBE可直接勾选):

STM32 电机教程 14 - BLDC 电机速度闭环控制_第19张图片 还需要用到TI1F_ED(直接的双边沿检测)信号,TRC信号..并最终产生CC1I中断,完整的信号流图如下图:

 

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故还需要开启中断,并最终要在自动生成的TIM.C中进行适当修改(后面源码上有介绍):

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配置ADC1:

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本例ADC采电机电流工作在单电阻采样模式下,如上图所示,电机电流与ADC采样电流之间的关系式为(JP1,JP2不接): V = 3*0.33*I,其中0.33为采样电阻的阻值,I为电机电流,V为放大3倍后的电机电流。

 

 

使能ADC的DMA功能:

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配置ADC2:

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接着将PC10,PC11,PC12普通IO功能配置,GPIO_OUTPUT模式,默认输出为低:

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最后是中断优先级配置:

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生成工程:

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  1. 打开工程, 加入事先准备好的bldc.c,pid.c, visualscope.c 和bldc.h,pid.h, visualscope.h(.c在src文件夹中 .h在INC文件夹)文件:

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同时在tim.c及stm32f1xx_it.c中加入如下代码:

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在dma.c中关闭dma中断:

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在adc.c中加入求平均电流代码:

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在adc.h中导出变量及函数名:

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最后在main.c中加入如下代码:

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设置工程下载后自动运行:

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编译代码,调试代码,本节代码是在上一讲《STM32 电机教程 13 - BLDC 电机转速计算》基础上实现,在串口示波器上可以看到电机电流(红), 目标速度(黄)和实际速度(蓝)波形,旋转电位器可以看到电机速度的闭环控制效果(黄,蓝基本重合):

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OK,本期实验完成!本节内容到此结束,下一节将给大家介绍速度闭环内嵌电流闭环的实现方法。最后如果大家有什么疑问或是有想了解的其它内容,也欢迎大家留言!!最后喜欢这个公众号的同学们记得加关注了,每天都会有技术干货推出!!

 

 

文中源码及资料下载,关注十三公众号:

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