st72141单片机在直流无刷电机控制中的应用
ST72141单片机 在直流无刷电机控制中的应用,ST单片机亚太区技术支持中心,ST72141单片机介绍内容,介绍目录 A. 永磁直流无刷电机的基本原理 B. ST72141 产品介绍 - 基本功能 - ST7 单片机内核 - 电机控制模块 - 驱动模式：电流模式 / 电压模式 C. ST72141 优点 D. 附录 - 起动时序 - PI闭环控制算法,永磁直流无刷电机的基本原理,主要优点: 运行效率高 (最高可达到 98%) 调速性能好 低噪声 更高的可靠性 / 更长的使用寿命 (无电刷) 具有较大的启动力矩（与交流电机相比） 主要应用: 压缩机 (空调,冰箱) 小家电 (吸尘器, 食物搅拌机) 工业风扇 电单车 汽车电子 (油泵,水泵, 冷却风扇,空调) 办公自动化应用 (激光打印机,复印机),永磁直流无刷电机的基本原理(1),运行特性 : 同步特性 :定子磁通量与转子机械转速同步. 定子结构 : 3 相绕组 (可由多对极组成). 转子结构 : 永磁体. 电周期与机械周期的关系: 1 机械周期 = P 电子周期 对于单对极电机 : 1电子周期(6 步) = 1机械周期,永磁直流无刷电机的基本原理(2),驱动方法 : 6 步换相( 相电流为T形波 ) 相序: ABACBCBACACB,2,T1 T1 T3 T3 T5 T5 T4 T6 T6 T2 T2 T4,A,B,C三相电流波形,U,V,W,C,A,T5,T6,T3,T1,T4,T2,B,+300V DC,-,单对极电机运行特性,1电子周期(6 步) = 1机械周期,两对极电机运行特性,4,2,5,6,A,B,C,T1-T4,T1-T6,A,A,A,A,B,B,T3-T6,B,C,T3-T2,T5-T2,B,C,A,B,C,T5-T4,1,S,S,N,N,1,S,S,N,N,1,S,S,N,N,1,S,S,N,N,1,S,S,N,N,1,S,S,N,N,1,C,2电子周期(12 步) = 1机械周期,永磁直流无刷电机的基本原理(3),控制方法 : 为了能够实现自动换相, 必须时刻检测电机转子的位置. 一般来说,有2种方法检测转子的位置: 通过霍尔位置传感器检测转子的位置(sensor mode) 通过电机绕组的反电动势检测转子的位置(*注) (sensorless mode) 换相时刻点:当定子绕组的电流与其反电动势同相时进行换相时. 控制过程要求时刻保持定子绕组的电流与发电动势信号同相: Pe = E * I; E - 定子反电动势, I - 定子电流, Pe -有用功率,注: 定子绕组反电动势是由永磁转子的旋转在定子绕组中感应生成: e=dj/dt, 它的产生与电机通电与否无关 (当手动转动电机转子时,同 样也能在定子中产生反电动势),与转子转速成正比. 因此,定子相电压由外加驱动电压与反电动势叠加而成.,永磁直流无刷电机的基本原理(3),电机定子绕组内的信号波形,t,current,Back-EMF,反电动势检测的实现: 常规方法(1),策略: - 需要创建一个虚拟中心点. - 取自虚拟中心点及反电动势的信号被分压、滤波后再输入到比较器进行检 测. 缺点: - 由于对被检测信号进行了分压, 使得灵敏度降低并且在低速时检测困难导 致低速性能较差. - 由于对被检测信号进行了滤波, 导致了转子位置检测滞后.,300V,POWER GND,N,N',+ 5V,电阻分压 & 滤波,BUS,电源地,N,BUS,N,N',电源地,虚拟中心点,电阻分压 & 滤波,反电动势检测的实现: 常规方法(2),滤波后的虚拟参考点 N 的电压,滤波后的相电压,反电动势过零点(反电动势由负变为正),filt1.hgl,相电流,ST72141 特有的反电动势检测方法(1),GND,A,B,C,T1 PWM “ON“,T4 always ON,bemf,300V,V/2,反电动势信号未被衰减,直接通过一电阻接到单片机的端口上 高灵敏度 + 宽调速范围 + 好的低速性能 + 大的启动力矩(非常适合类似压速机的负载) 无滤波延时 高信噪比,GND,A,B,C,T1 PWM “OFF“,T4 always ON,300V,GND,+ 5V,1V,voltage clamping,ST72141 micro controller,bemf,ST72141 特有的反电动势检测方法(2),反电动势过零点,- 相电流 -,- 相电压-,退磁结束点,反电动势由负变为正,反电动势由正变为负,退磁结束点,反电动势过零点,两种检测方法的比较,ST Method,GE Method,专利号,US 5,859,520 “control of a brushless motor“,US 4,654,566,原理,全数字方案 : - 反电动势经片内箝位转换成05V的数字 信号; - 在退磁结束后,当上桥臂IGBT打开时,由于 续流二极管的续流作用,定子绕组中心点N 的电势为0,此时才打开反电动势的检测窗 口.,模拟方案 : 需要创建虚拟中心点 N ,采样信号经过分 压衰减和滤波; 经过衰减和滤波的信号被输入到外部比 较器.,缺点,PWM 的占空比不能完全达到100%.,- 需要电阻分压及滤波; - 灵活性低 : 电压和频率受限于外部反电动 势检测电路,降低了调速范围; - 对不同的电机及速度范围,必须重新设计 反电动势检测电路的参数;,优点,无传感器;可进行宽范围的速度检测; 无须外加反电动势检测电路,可有效降低本.,无传感器,无专利侵犯 + 降低成本,ST72141单片机介绍内容,介绍目录 A. 永磁直流无刷电机的基本原理 B. ST72141 产品介绍 - 基本功能 - ST7 单片机内核 - 电机控制模块 - 驱动模式：电流模式 / 电压模式 C. ST72141 优点 D. 附录 - 起动时序 - PI闭环控制算法,ST72141 :永磁直流无刷电机驱动单片机,基本特性: 8 Bit 内核 8K ROM/OTP/EPROM; 14个多功能双向I/O端口,内含: - 外部中断; - 13个多功能复用端口; - 3个高电流输出端口 (漏极开路: 20mA ) 2 个 16 bit定时器, 内含 : - 2 个输入捕捉; - 2 个输出比较; - 外部时钟输入; - PWM 及单脉冲输出模式; SPI 同步通讯接口; 8 通道 8 bit ADC; SDIP32 or SO34S 封装; 电源模块特性 : 增强的片内复位系统; 低电压监控系统; 3 个低功耗模式; 片内Watchdog;,ST72141 内核,应用电路图 无传感器永磁直流无刷电机 - 电流模式,输入到 ST72141的反电动势信号,5V上桥臂输出,5V下桥臂输出,15V上桥臂输出,15V下桥臂输出,电流检测信号,电流设定输入,PMDC电机的6步驱动输出,ST72141 片内电机驱动模块 自动运算 & 协处理器,Note 1: 电压模式下: PWM 信号由16位定时器TIMER A 产生 Z: 反电动势过零事件 Zn: 相邻两个Z事件的时间间隔 C: 换流事件 C n: Z事件发生后到下一次换流事件的延时间隔,MCIA,MCIB,MCIC,BEMF=0,MCO5,MCO4,MCO3,MCO2,MCO1,MCO0,TIMER,DELAY = WEIGHT x Zn,MCCFI,OCP1A,NMCES,DELAY,=?,CAPTURE Zn,换流 C,MEASUREMENT,WINDOW,GENERATOR,CURRENT,VOLTAGE,MODE,Internal V,REF,WEIGHT,PWM (1),(I),(V),(V),(I),延时管理单元,通道管理单元,反电动势过零监测器,PWM 信号管理单元,Z,(V),(I),MTIM, (I): 电流模式 (V): 电压模式,ST72141 片内电机驱动模块(1),反电动势过零检测 3 个相电压输入(模拟信号)端口用于无传感器转子的位置检测. (在驱动有传感器电机时:这3个端口的输入信号为HALL 转子位置信号(数字信号) 芯片内置箝位二极管 比较输出后的退磁结束检测信号的采样率为:800KHz. 并且有 4 个软件可选的参考电压用于硬件退磁结束检测: 分别为: 0.2V, 0.6V, 1.2V, 2.5V 可基于上一次下桥臂的硬件退磁结果用软件来模拟此次的退磁事件. 反电动势过零检测 : 在反电动势过零检测时,芯片内的相电压比较器直接检测电机的相电压而未加任何衰减: - 200mV 灵敏度 & 100mV 滞环. -有 4 个软件可选的参考电压用于反电动势过零检测 (与退磁结束检测的参考电压相同),ST72141 片内电机驱动模块(2) 相电压输入 结构框图,z,D,PWM信号,反电动势过零检测与退磁结束公用一个检测电路,ST72141 片内电机驱动模块(2) 相电压输入 结构框图,* use preload register,ST72141 片内电机驱动模块(3) 延时管理单元,延时管理 : 延时管理 : 此次的反电动势过零检测到下一次的换相之间的延时时间: 自动计算并且可软件编程. 硬件的 8*8 乘法器 和 /32 除法器: 用于延时时间的自动计算 在起动时此单元不起作用. 通过选择第 n-1 次的步长时间(Zn-1)来计算延时时间:可对不对称电机进行自动补偿.,K=f (motor characteristics, application, speed) 0;255,Z,Z,C,T,T/32,(TxK)/32,ST72141 片内电机驱动模块(3)
