・６２・ 应 用 系统效率，适合于各种应用场合． ２ 无刷直流电机工作原理 无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电 机，与其他电机相比其主要优点为：１）电机外特性 好，具有低速大转矩特性；２）速度范围宽，可以在任 何转速下全功率运行；３）电机效率高，轻载仍能保 持较高的效率；４）过载能力强；５）再生制动效果好； ６）电机体积小、重量轻；７）电机无机械换相器，可靠 性高；８）电机控制系统比异步电机简单 ． 无刷直流电机用永磁体制成转子，用定子绕组 换相来代替电刷换相，用霍尔元件传感转子位置信 息．如图１所示为驱动部分电路，表１为霍尔信号和 功率管的导通关系，以３只霍尔元件按１２０度相位 差安装的霍尔传感器为例．内置电机的３个霍尔元 件会实时地输出确定的３路电平信号来表征转子位 置信息，ＭＣＵ根据这３路电平信号，查表得出定子 下一时刻的导通相序，并进行相应的换相切换，使电 机转动．根据永磁无刷电机的运行原理，系统采用 两两导通六状态方式，即任意时刻电机三相绕组中 只有两相通电，每６Ｏ。电角度换相，每相通电１２０。 电角度，每３６０。电角度有６种通电状态，每次换相 一个功率管．如此循环，电机就可以按同一方向转 动．反转时，功率晶体管开启顺序相反． 图１功率ＭＯＳＦＥＴ电路图 表１霍尔信号导通相序 科 技 第３５卷 ３控制器硬件设计 整个系统可分为３＂ｉ＇￣：ＳＴ７ＦＭＣＩＫ２单片机系统 及外围电路，ＩＲ２１３６２功率晶体管驱动电路，以及ＭＯＳ－ ＦＥＴ（ＳＴＰ７５ＮＶ７５）开关矩阵．系统结构图如图２所示． 参考 速度 —● 图２系统总体结构图 ＳＴ７ＦＭＣ对电机的控制主要是由片内的ＭＴＣ 控制器来完成的 Ｊ．无刷直流电机内的３个霍尔 元件检测出当前转子的位置，并将此信号传输给 ＳＴ７ＦＭＣ产生中断，ＳＴ７ＦＭＣ根据传来的霍尔信号查 表，找出下一时刻应该导通的２相，经由ＰＷＭ输出 端送给ＭＯＳＦＥＴ驱动桥ＩＲ２１３６２，由此控制ＭＯＳＦＥＴ 的导通关断．同时，ＳＴ７ＦＭＣ通过片内计数器来计算 每２个连续霍尔信号之间的时间差．由此可得到当 前电机转速，再与由转把得到的参考速度做差，即速 度误差．对速度误差进行ＰＩ调解，输出参考电流．由 采样电阻获得实际电流，对电流进行ＰＩ调节，输出 ＰＷＭ波，施加到对应导通的ＭＯＳＦＥＴ上，通过改变 ＰＷＭ的占空比来调节电机的转速．由此实现速度 环，电流环双闭环调速． 图３给出了ＳＴ７ＦＭＣ１Ｋ２及外围电路的结构． 整个控制器以ＳＴ７ＦＭＣ１Ｋ２单片机为控制核心，将 各种信号（调速信号、霍尔传感器的换向信号、蓄电 池电压信号及电机电流信号等）采集进来，根据设 定的控制模式进行处理，然后输出控制信号，单片 机采集的信号包括： 上位机 ６ｌ Ｓ Ｌｉ Ｈｌ －ｙ－３ Ｍ（ ３０ｌ ＲＤｌＴＤＯ ． ３４／ Ｌ／２２ ５ ４ ＭＯ３２ Ｒ 几＿ ２ｌ， Ｊ３ ６７ 鬈Ｄ 璺１，１ 墅 ８． 入Ｊ １ ｎ２ ｌ０ Ｌ１ ＰＡ５ ＶＶＡＳＲＳ 磊 ｃ １＿ ｎ ｌ ｌ５ ＭＣＭ ＲＥＦ ｌ６ ＭＣｌｌＡ ＯＡｚ 学 ＭＣ Ｂ ０Ａ卜 （）ＡＰ 。 一 Ｕ ／２＇一Ｌ 图３ ＳＴ７ＦＭＣ外围电路 维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期 贾桂丽，等：基于ＳＴ７ＦＭＣ的电动自行车用无刷直流电机控制器 ・６３・ １）霍尔传感器信号：３路信号经过电阻上拉和 对地电容滤波后，可直接接入，通过设置捕捉信号边 沿的寄存器值，当对应的霍尔信号改变时，电机控制 宏单元就会触发过零中断（ｚ事件），并由此触发换 相事件（Ｃ事件），关断和开通相应的功率ＭＯＳＦＥＴ， ４控制器软件模式 软件设计是系统设计的重要组成部分，它和 ＭＣＵ一起共同完成对各种功能的控制．本系统软件 由主程序和中断服务子程序２部分组成． 如此循环控制三相绕组的通断，以实现电机的转动． ２）霍尔转把信号：转把信号是一个模拟电压信 号，旋转角度与电压成正比．该信号ＡＤ采样值和参 考转速对应，通过调节ＰＷＭ的斩波比实现调压调 速． ３）电流信号：电机主回路电流信号经采样电阻 获得．电流信号经片内运算放大器放大，该输出引脚 （ＯＡＺ１９脚）内部连接到ＡＤ上，可以对电流进行采 样，同时又连接到片内比较器的一端，比较器另一端 连接到过流参考电压ＭＣＣＲＥＦ（２０脚）上，当ＯＡＺ 引脚的电压大于ＭＣＣＲＥＦ时，会触发过流中断．该 部分外部电路简单，只需要电阻电容，就能实现电流 放大采样和过流保护，与其他控制芯片相比节省了 空间和成本． ４）突发事件输人：电机在加载情况下，启动时 或意外故障时的瞬间尖峰电流会给电机带来冲击， 电动自行车的使用者也会感到不适．为此将电流的 电压信号输人到比较器，当出现尖锋时，比较器输出 负脉冲给ＭＣＥＳ（８脚）引脚，硬件自动禁止ＰＷＭ输 出，触发中断进行处理． ５）其他信号：刹车信号为开关信号．刹车时高 电平有效，单片机读人高电平时，禁止ＰＷＭ输出并 进行相应处理．蓄电池欠压信号：电池电压经分压 后接人单片机片内ＡＤ，由单片机进行监控．当电池 电压过低于４３ Ｖ时，给出欠压信号，输出截止，防 止电池由于过放而损坏．对于功率ＭＯＳＦＥＴ的驱 动，采用了ＩＲ（国际整流器公司）推出的高压集成驱 动器ＩＲ２１３６２，该类芯片应用广泛，电路结构简单， 与常用的ＩＲ２１１０，ＩＲＳ２００３相似，只有驱动相数不 同，在此不再赘述．考虑成本、耐压、电流等因素， ＭＯＳＦＥＴ采用ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司的耐压７５ Ｖ 承受电流达８０ Ａ的ＳＴＰ７５ＮＦ７５． 图４软件主循环流程图 主程序主要包括初始化部分和循环主体部分， 如图４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采样转把信号和电源电压，读取刹车信号进行 处理以及双闭环调速．主程序每次循环都首先检测 蓄电池电压、刹车信号，每次调速结束后检测是否有 停车信号．过流控制在程序里区分为２种情况．１类 过流：当前电流超过了额定工作电流，但小于设定的 ２类电流（故障电流），此时只需适当减小ＰＷＭ输 出即可达到降低回路电流的目的．处理程序在闭环 调速中；２类过流：当前电流超出设定的故障电流 值．硬件禁止ＰＷＭ输出，此时不断检测电流．当电 流小于额定电流时，重新使能ＰＷＭ输出，此程序在 突发事件中断处理中．这种电流控制方法能够更好 地对电路进行保护，避免了因意外原因导致电流突 然增大而立即停车，使得整个系统使用起来更加安 全舒适，更加人性化． 维普资讯 http://www.cqvip.com
・６４・ 应 用 科 技 第３５卷 中断服务子程序主要包括电压过零中断（ｚ事 件）、换相中断（Ｃ事件）、串行中断．过零中断主要 ５ 结束语 介绍了一种基于嵌入式单片机ＳＴ７ＦＭＣ的智能 型无刷直流电机驱动器及其在电动自行车中的具体 应用，独有的电机控制宏单元简化了系统的软硬件 敏感霍尔传感器信号的变化，为测速提供转子每６０ 电角度的时间间隔．换相中断硬件触发对应功率管 的导通关断并预写下一次换相时的寄存器值．串行 中断程序用来与上位机进行通信． 实验结果： 实验样机为４８ Ｖ／３５０ Ｗ电动车用无刷直流电 机，供电电源为额定电压４８ Ｖ的电动车用蓄电池． 设计，最大限度地减少了系统的外围部件数量和印 制电路板空间，降低了成本，适用于现今电动自行车 的应用和生产． 当小负载时，参考速度为３６０ ｒ／ｍｉｎ时，通过串口发 送出的电机速度曲线，如图５所示．系统基本无超 调，稳态误差小于１．５％，速度响应时间约为４．７ Ｓ， 调速效果良好．实验结果表明，此方案能够满足电动 自行车的应用要求． ｒ／ｍｉｎ 参考文献： ［１］崔万安．电动自行车［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００２． ［２］谭建成．电机控制专用集成电路［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，１９９９． ［３］张琛．直流无刷电机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，１９９６． ［４］ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ＳＴ７ＭＣ１ ８－ｂｉｔ ＭＣＵ ｗｉｔｈ ｎｅｓｔｅｄ ｉｎｔｅｒ－ ｒｕｐｔｓ，ｆｌａｓｈ，ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ［ｚ］．Ｓａｎ Ｊｏｓｅ：ＳＴＭｉ． ｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４． 图５系统加速曲线 ［５］ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ＰＷＭ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ＢＬＤＣ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＳＴ７ＦＭＣ［ｚ］．Ｓａｎ Ｊｏｓｅ：ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ— ｉｃｓ，２００５． ［责任编辑：张晓京】 《智能系统学报》征稿启事 《智能系统学报》由中国人工智能学会与哈尔滨工程大学联合主办，是中国人工智能学会的会刊，主要 刊登智能科学领域最新的科研成果和高水平学术论文，辟有人工智能与计算智能、智能控制与决策、智能信 息处理、专家系统与知识工程、机械学习与知识发现以及人工心理与机器情感等栏目．为了使该刊具有高起 点，特向各位知名专家征集优秀稿件，并对２００６年度所发稿件免收版面费． ★凡具备以下３项条件的稿件，稿酬标准定为１０００ 篇 （１）人工智能领域前沿课题； （２）国家级基金资助项目； （３）经２位以上相关专业专家评审通过，评价良好． ★凡具备以下３项条件的稿件，稿酬标准定为５００元／篇 （１）人工智能领域前沿课题； （２）省部经基金资助项目； （３）经２位以上相关专业专家评审通过，评价良好． 刊社地址：哈尔滨市南通大街１４５号１号楼 电 网 邮编：１５０００１ 话：（０４５１）８２５１９３５７ ８２５３４００１ 址：Ｗ＇ｌＷ，Ｃ￣．ｔｉｓ．ｎｅｔ．ＣＢ Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｉｓ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ＣＯｒｎ
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