STM32 电机教程 12 - BLDC 闭环电流控制
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。
无刷电机
上一节成功实现了BLDC电机开环速度控制,本节将用NUCLEO-F103RB和X-NUCLEO-IHM07M1 3SH快速实现BLDC的闭环电流控制!
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:
示例详解
本节用到ST官方推出的NUCLEO-F103RB和X-NUCLEO-IHM07M1 3SH 开发板。
NUCLEO-F103RB对应的大致原理接线图:
X-NUCLEO-IHM07M1 3SH部分原理图:
准备操作
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。
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 |
电流采样接口 |
PC1 |
为了更加简单地介绍清楚BLDC 6 步方波控制的具体实现,为了实现电机的速度控制,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,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,PC1配置成AD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,对配合PID控制器实现对其闭环控制操作。
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:
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:
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:
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:
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:
而要直正实现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):
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:
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):
配置ADC:
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。
使能ADC的DMA功能:
接着将PC10,PC11,PC12普通IO功能配置,GPIO_OUTPUT模式,默认输出为低:
最后是中断优先级配置:
生成工程:
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:
同时在tim.c及stm32f1xx_it.c中加入如下代码:
在dma.c中关闭dma中断:
在adc.c中加入求平均电流代码:
在adc.h中导出变量及函数名:
最后在main.c中加入如下代码:
设置工程下载后自动运行:
编译代码,调试代码,通过修改PID的REF(红色)电机电流的跟踪情况(黄色),本例中对电机电流的计算方法较为简单,直接把有值的数据加起来取平均,其实还可以加入一些滤波算法,使的电机电流波形更加平稳。
下图给出两个示波器中观察到的PC1引脚上的电压波形图:
电机转动时
电机堵转时
OK,本期实验完成!本节BLDC电流闭环控制内容到此结束,下一节将给大家介绍闭环速度控制。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!!
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