STM8S的无刷直流电机控制系统的设计

只看该作者 · 2019-2-27 14:10

STM8S系列处理器，是意法半
导体(ST)公司推出的超高性价比的8
位单片机，具有高性能的架构、优
异的抗干扰设计、灵活的低功耗模
式和丰富的内嵌功能。该系列单片
机采用意法半导体的自有内核，最
高工作频率为24MHz，最高处理效能
可达20MIPS。另外， STM8S资源丰
富，具有10bit的ADC， 16bit的高级
控制定时器，看门狗电路等。其中高
级定时器具有4个捕获/比较通道， 3
个互补输出，死区控制，非常适合电
机的控制。

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无刷直流电机是现在最常用的无
刷电机。它具有低损耗、低噪声、结
构简单、易控制、转速高、寿命长等
特点，因此，被广泛应用于现代工业
控制等领域。

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本文提出了基于STM8S的无刷直
流电机控制系统，利用单片机内部的
定时器产生的PWM来控制电机的转
动和调速，可以应用在一些要求不高
和对成本比较敏感的领域。

只看该作者 · 2019-2-27 14:11

无刷直流电机一般有永磁转子和
三相定子组成，通过反向极性的吸引
产生相矩来使电机转动。为了获得最
大力矩，需使定子磁场和转子磁场之
间的相角度近似为正交的。控制无刷
电机转动，首先需要判断转子的当前
位置，然后根据该位置改变电枢绕组
的通电相序，使其在气隙中产生步进
式旋转磁场，拖动永磁转子转动。

只看该作者 · 2019-2-27 14:12

本设计使用霍尔传感器来测量转
子相对于定子线圈的位置信息。位置
信号由3个霍尔传感器得到，每个霍
尔传感器都会产生180° 脉宽的输出
信号，而3个霍尔传感器的输出信号
互差120° 相位差。它们在每个机械
转中会产生6个上升沿或者下降沿，
对应着6个换相时刻。把单片机的I/O
口设置为双边沿外部中断捕获功能，
即可获得这6个换相时刻。再根据3个
霍尔传感器的电平状态，即可获得转
子准确的位置信息。然后根据位置信
息，进行换相，从而带动电机的转
动

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三相桥电机驱动结构图

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系统硬件框图

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三相霍尔传感器换相表

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STM8S903K外围基本电路

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开关驱动电路

只看该作者 · 2019-2-27 14:26

电源电路

只看该作者 · 2019-2-27 14:26

电动机的速度和扭矩取决于带电
绕组的电机所产生的磁场强度，而磁
场强度又取决于通过的电流大小。因
此，调整转子的电压或电流将改变电
机转速

只看该作者 · 2019-2-27 14:26

通过改变加在电机上的电压来改变电机的转速。由于单片机可以输出脉宽可调的PWM波，因此，使用PWM输出来控制6个开关管的状态，并通过改变PWM波的占空比来调整电机的电压。

只看该作者 · 2019-2-27 14:27

转速的测试
通过霍尔传感器连接单片机的输入引脚，可以准确测量电机的转速。由于电机每60° 电角度就会产生一次换相，通过设置引脚为外部中断输入功能，用定时器计算两次中断之间的时间间隔，即可算出电机的转速。计算公式为： RPM=60/(6*△T*磁极对数)。其中，△T为换一次相所花的时间秒数。

只看该作者 · 2019-2-27 14:28

采用的微控制器为意法半导体公司的STM8S系列单片机中的STM8S903K单片机，该款单片机是意法半导体公司专门针对电机领域推出的一款高性价比的单片机。该款单片机性能优异，最高工作频率为24MHz，最高处理效能可达20MIPS。该款单片机拥有一个16位的高级控制定时器，该定时器具有4路比较/捕获
通道，可以输出4路互补PWM输出，还有死区和刹车控制，非常适合电机控制。该单片机还有一个16位通用定时器，一个8位基本定时器，基本满足控制需求。此外，该单片机还有一个10位的ADC，拥有七个多功能外部输入通道和一个内部通道。另外，该单片机含有其他一些常用外设，如SPI、 UART、看门狗等。

只看该作者 · 2019-2-27 14:30

采用霍尔传感器来检测BLCD转子的位置，该方案硬件电路简单，精确度高。本设计把三个霍尔传感器与STM8S903的外部管脚相连，并设置为双边沿外部中断捕获模
式。

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开关驱动电路
该电路主要由六个大功率场效应管P75NF75组成，该场效应管耐压75V，最大电流75A，满足电机工作要求。由三极管组成的隔离电路，能够有效地防止大电流反馈到控制电路，
烧坏控制芯片。

只看该作者 · 2019-2-27 14:31

电源电路
本控制系统采用24V直流供电，通过LM317和7805分别获得15V和5V电压。其中24V给电机供电， 15V给开关驱动电路供电，而5V则给单片机及其他芯片供电。

只看该作者 · 2019-2-27 14:31

软件设计
系统程序由硬件初始化、位置检测、换相及速度调节等组成。硬件初始化主要是设置STM8S903的系统时钟， I/O端口，定时器，以及中断控制。位置检测主要是通过读取与三个霍尔传感

只看该作者 · 2019-2-27 14:32

软件流程图