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用ST72141實現(xiàn)無刷直流電機的控制
摘要：意法半導(dǎo)體的ST72141是專門用在無刷直流電機（BLDC）控制的單片機。內(nèi)部包含意法半導(dǎo)體自有的反電動勢檢測專利技術(shù)，專門用于電機控制的片內(nèi)外設(shè)，大大減少了電機控制系統(tǒng)的成本，簡化了電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。引 言
1 概 述
ST72141是ST公司專門用于同步電機控制的一款單片機，特別適合3相無刷直流電機的控制。無刷直流電機可用于工業(yè)控制、汽車電子產(chǎn)品、電冰箱、空調(diào)、壓縮機和風扇等產(chǎn)品。無刷直流電機的優(yōu)點是效率高、工作噪聲低、體積小、可靠性好和壽命長。
ST72141是ST7微控制器家族產(chǎn)品中的一員。它包括A/D轉(zhuǎn)換和SPI接口，有專門用于無刷直流電機控制的片內(nèi)外設(shè)，可選擇帶傳感器模式和不帶傳感器模式。
ST7片內(nèi)的電機控制電路可看成是一個脈寬調(diào)制多路復(fù)用器。它有6路輸出和1個用在無刷直流電機不帶傳感器控制時的反電動勢零點檢測電路。
ST72141的電機控制外設(shè)有4個主要的部分：
◇ 去磁結(jié)束和反電動勢零點的檢測電路；
◇ 延遲管理電路；
◇ PWM管理電路（需要PWM信號來驅(qū)動電機）；
◇ 通道管理電路。
ST72141在無刷直流電機中的典型應(yīng)用如圖1所示。
圖2 6步長120度的驅(qū)動模式
2 無刷直流電機的基本原理
無刷直流電機包含2個同軸的磁性電樞：外部電樞，即固定的定子；內(nèi)部電樞，即可動的轉(zhuǎn)子。定子是電機的引導(dǎo)部分；轉(zhuǎn)子是電機的感應(yīng)部分。無刷直流電機內(nèi)部電樞的轉(zhuǎn)子是一個永磁體。這個電樞由恒流源供電。定子可以有多相（這里以3相為例）。電機是同步電機。無刷永磁體直流電機是同步電機，定子的磁場旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)速度相同。
反電動勢是使用ST72141在不帶傳感器模式下驅(qū)動無刷直流電機的基礎(chǔ)。反電動勢和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、流過轉(zhuǎn)子的磁通和相應(yīng)繞組的轉(zhuǎn)子數(shù)目成正比。
繞組產(chǎn)生的力矩大小與電流和磁通量成正比關(guān)系。
ST72141提供2種控制方式：電壓模式和電流模式。 電流模式下可以直接按比例調(diào)節(jié)力矩；電壓模式下可以調(diào)節(jié)速度，設(shè)置力矩限閾值（即電流的閾值）。
3 ST72141用于無刷直流電機控制
圖2為采用6個步長的電機控制原理圖。
ST72141中的電機控制是基于標準的三個半橋6個步長控制原理。
T1、T3、T5是電機A、B和C繞組相的上端晶體管。
T2、T4、T6是電機A、B和C繞組相的下端晶體管。
在步長1時，相A為正向偏壓，所以這個繞組中的電流是正向的；相B為反向偏壓，所以這相繞組中的電流是負向的。這時C相繞組沒有施加電源。
無刷模式下，使用ST72141控制電機，可以讀取這個沒有施加電源的相繞組反電動勢（這里以繞組相C為開始的步長1）。通過讀取這個反電動勢，可以確定轉(zhuǎn)子的實際位置。
圖4 事件時序示意圖
如圖3所示，反電動勢和相繞組的電流同方向時，效率最佳。
ST72141可以有2種不同的驅(qū)動模式：電壓模式和電流模式。電流模式下，通過改變電機的參考電流而改變力矩的大小（因為力矩和電流成正比）。電流的控制是通過PWM來調(diào)整的。電壓模式下，通過改變電機的參考電壓來改變速度。這種模式不是直接控制電流，但設(shè)置了電流的最高限制，即力矩可達的最大值。電壓的控制也是通過改變PWM周期來實現(xiàn)的。
電機速度的調(diào)整使用閉環(huán)實現(xiàn)。ST72141內(nèi)部有2個速度調(diào)整回路。第1個回路是自動換向時效率的調(diào)整回路。這個回路使得反電動勢和相繞組的電流信號同方向。第2個回路是速度調(diào)整回路，可使電機維持在設(shè)定的速度。
ST72141對電機控制基于3個事件的處理：反電動勢過零點事件（Z事件）、換向（C事件）、 向繞組去磁結(jié)束（D事件），如圖4所示。
去磁結(jié)束和反電動勢過零點是物理事件，但是換向事件是通過ST72141計算得來的，也就是計算過零點事件和下一個換向之間的延遲時間。如果速度加快，過零點事件將更早發(fā)生，延遲必須減小以使反電動勢和相繞組的電流同方向。
ST72141的電機控制外設(shè)總是以相同的次序處理這3個事件：Z事件在計算的延遲之后產(chǎn)生C事件，然后等待D事件。電機啟動時，根據(jù)檢測到一定的連續(xù)Z事件后進入自動換向模式。
圖5 過零點事件檢測原理
ST72141中，Z事件（過零點）和D事件（去磁結(jié)束）的檢測由相同的外設(shè)部分處理。這些信號通過ST72141的MCIA，MCIB和MCIC三個引腳輸入。過零點事件（Z事件）檢測的原理如圖5所示。
圖5所示為電機控制的兩種狀態(tài)。在圖5左部，繞組C已經(jīng)去磁。在大約20μs之后，讀取反電動勢的窗口打開。在T1關(guān)閉時，電流流經(jīng)續(xù)流二極管，A點為地。假設(shè)A相繞組的反電動勢為Ea，B相繞組的反電動勢為Eb，C相繞組的反電動勢為Ec。當Ec過零點時，有Ea=-Eb，這樣N處為零電勢。這就意味著可以不需要虛擬地就可以獲得需要的反電動勢的信息。反電動勢過零點事件通過輸出比較器獲得，無傳感器模式時，一定頻率的PWM信號加在T1上。C的電壓被鉗
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