基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究共3篇

基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究共3篇基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究1基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)（BLDC）已經(jīng)成為了當(dāng)前電機(jī)領(lǐng)域中極為重要的部分，由于其高效、高可靠性和低噪音的特點(diǎn)，在工業(yè)、家庭及辦公室自動(dòng)化等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。STM32是一款性能強(qiáng)大、價(jià)格適中的微控制器，對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言，STM32是一款非常理想的平臺(tái)。下面將介紹基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.控制電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，基于STM32的無刷直流電機(jī)控制的主要部分是一個(gè)三相橋式電路，用于驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)。它由STM32的輸出引腳、電流監(jiān)測電路和功率MOSFET器件組成。

圖1基于STM32的三相橋式電路

2.電機(jī)控制

BLDC電機(jī)的控制主要是通過PWM信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，PWM信號(hào)產(chǎn)生的頻率越高，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地提高。因此，STM32的定時(shí)器是控制BLDC電機(jī)的最佳選擇，它可以讓我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度、高穩(wěn)定性的PWM輸出控制。

3.編碼器的接口設(shè)計(jì)

編碼器是截取并計(jì)算電機(jī)位置和速度的關(guān)鍵和最終環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。在STM32中，通過GPIO口實(shí)現(xiàn)編碼器的程序設(shè)計(jì)。

4.閉環(huán)控制

（1）速度環(huán)控制

通過編碼器獲取電機(jī)的速度，并將其與預(yù)設(shè)的目標(biāo)速度進(jìn)行比較，從而輸出PWM控制信號(hào)。

（2）電流環(huán)控制

通過比較實(shí)測的電流值和設(shè)定的目標(biāo)電流值，并控制輸出PWM波的占空比，以達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。

二、仿真研究

基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的主要部分是控制算法，仿真實(shí)驗(yàn)使我們了解控制算法的性能指標(biāo)。MatlabSimulink是一個(gè)流行的工具，可以用于系統(tǒng)級(jí)仿真。以下是仿真結(jié)果和討論。

1.速度和負(fù)載變化

圖2顯示了當(dāng)速度和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間。電機(jī)的速度變化被控制在可接受的范圍內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間較短，控制系統(tǒng)的性能較高。

圖2速度和負(fù)載變化時(shí)的響應(yīng)時(shí)間

2.目標(biāo)速度和實(shí)際速度之間的誤差

圖3顯示了目標(biāo)速度和實(shí)際速度之間的誤差隨時(shí)間變化的情況。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，誤差一直被控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，表明控制系統(tǒng)的精度較高。

圖3目標(biāo)速度和實(shí)際速度之間的誤差

3.目標(biāo)電流和實(shí)際電流之間的誤差

圖4顯示了目標(biāo)電流和實(shí)際電流之間的誤差隨時(shí)間變化的情況。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，誤差一直被控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，表明控制系統(tǒng)的精度較高。

圖4目標(biāo)電流和實(shí)際電流之間的誤差

總體來說，基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法是非?？煽俊⒕雀叩?，同時(shí)也具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性?；赟imulink的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地控制電機(jī)的運(yùn)行，并保證系統(tǒng)的精度和響應(yīng)時(shí)間?；赟TM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究2無刷直流電機(jī)（BLDCMotor）是一種高效、強(qiáng)韌的電機(jī)，其在許多應(yīng)用場合中得到了廣泛應(yīng)用。本文主要介紹基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究，主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和性能測試三個(gè)方面。

一、硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)傳感器電路、控制器電路和供電電路四個(gè)部分。

1.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

無刷直流電機(jī)需要外部電路來控制和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，以保持電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由驅(qū)動(dòng)器芯片和功率器件組成，其中驅(qū)動(dòng)器芯片用于控制功率器件，使其能在正常范圍內(nèi)輸出電流和電壓。

在此設(shè)計(jì)中，選用TI公司的DRV8305芯片作為驅(qū)動(dòng)器芯片，這款芯片具有低電壓保護(hù)、過熱保護(hù)和短路保護(hù)等功能，能夠保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性。而功率器件則采用IRFP4468MOSFET，具有低導(dǎo)通電阻和高速開關(guān)特性。

2.電機(jī)傳感器電路

無刷直流電機(jī)需要借助轉(zhuǎn)子位置傳感器來確定轉(zhuǎn)子的位置，從而控制電機(jī)的運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中，采用霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測。

傳感器電路主要由霍爾傳感器和電平轉(zhuǎn)換器組成，其中霍爾傳感器能夠檢測轉(zhuǎn)子的磁場信號(hào)，并輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。電平轉(zhuǎn)換器則用于將霍爾傳感器輸出的5V電平轉(zhuǎn)換為3.3V電平，以便與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信。

3.控制器電路

本設(shè)計(jì)使用STM32F103RCT6單片機(jī)作為控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制和PID算法的實(shí)現(xiàn)。STM32單片機(jī)具有高速運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)資源，適合這種控制應(yīng)用場合。

控制器電路主要由STM32單片機(jī)、電源管理電路和外部接口電路組成，其中電源管理電路用于對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電和保護(hù)。

4.供電電路

供電電路主要由電源和電源管理電路組成，其中電源管理電路對(duì)電源進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

二、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括測量和控制兩個(gè)部分，其主要任務(wù)是測量電機(jī)參數(shù)和控制電機(jī)運(yùn)行。

1.測量

測量主要用于得到電機(jī)運(yùn)行過程中需要的參數(shù)，包括轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和電壓等，以便進(jìn)行下一步的控制。

在此設(shè)計(jì)中，采用霍爾傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，并通過ADC模塊獲得電壓信號(hào)。此外，還可以通過計(jì)算獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)工作狀態(tài)等參數(shù)，以及對(duì)電機(jī)性能的評(píng)估。

2.控制

控制主要通過PID算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置等參數(shù)的控制，以達(dá)到預(yù)期運(yùn)行效果。同時(shí)，控制器還需要對(duì)電機(jī)的電流和電壓等參數(shù)進(jìn)行跟蹤和控制。

三、性能測試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性和有效性，需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性能測試。主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起動(dòng)時(shí)間、轉(zhuǎn)速曲線、電機(jī)負(fù)載能力等測試，以評(píng)估系統(tǒng)的控制能力和工作效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有很高的控制精度和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的準(zhǔn)確控制和順暢運(yùn)行。

總之，基于STM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)用意義，對(duì)于推動(dòng)電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用?；赟TM32的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究3無刷直流電機(jī)（BLDC）具有高效率、高功率密度、低噪聲、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車、機(jī)器人、飛行器等領(lǐng)域。本文介紹了基于STM32的BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖所示：


本控制系統(tǒng)主要由STM32F103C8T6單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、BLDC電機(jī)以及電源組成。其中：

（1）STM32F103C8T6單片機(jī)：選用此型號(hào)的原因是其具有豐富的外設(shè)資源，如定時(shí)器、PWM輸出、ADC輸入等，適合于BLDC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：選用此款驅(qū)動(dòng)器是為了更好地控制三相交流驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)。

（3）BLDC電機(jī)：選用此款電機(jī)是因?yàn)樗哂懈咝?、高?dòng)力密度、低噪聲和低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，為保證電機(jī)的安全性和壽命，需要選用合適的電機(jī)參數(shù)。

（4）電源：該控制系統(tǒng)需要配備穩(wěn)定可靠的電源，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.軟件設(shè)計(jì)

本文基于Keil5編寫了BLDC控制系統(tǒng)的軟件代碼。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）系統(tǒng)初始化

首先需要初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口以及ADC通道等外設(shè)資源，并為通道1到3（對(duì)應(yīng)三相電流）和通道4（對(duì)應(yīng)電機(jī)電壓）配置輸入捕獲模式。此外還需配置定時(shí)器6、定時(shí)器2和中斷等參數(shù)。

（2）三相電流測量

該模塊主要采用了霍爾傳感器來測量BLDC電機(jī)的電流。通過定時(shí)器6的定時(shí)溢出中斷，可以不斷采集電機(jī)三相電流，并將測得的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬低通濾波處理。濾波后的電流值可以用于電機(jī)狀態(tài)檢測和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

該模塊主要利用定時(shí)器2的PWM輸出來驅(qū)動(dòng)BLDC電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。具體實(shí)現(xiàn)過程為：當(dāng)電機(jī)電流與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相位一致時(shí)，輸出PWM的高電平；當(dāng)電機(jī)電流與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相位不一致時(shí)，輸出PWM的低電平。由于PWM頻率較高，電機(jī)可以較精確地被調(diào)節(jié)到所需的位置，提高了BLDC電機(jī)的精度、效率和穩(wěn)定性。

（4）通信接口設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)還需要提供通信接口，以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的聯(lián)接和數(shù)據(jù)交互。本文基于UART串口設(shè)計(jì)了通信接口，實(shí)現(xiàn)了與PC機(jī)的通信和控制。具體實(shí)現(xiàn)過程為：在單片機(jī)代碼中編寫與PC通信的指令解析代碼，通過串口傳輸指令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)BLDC電機(jī)的控制和監(jiān)控。

二、仿真研究

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性和魯棒性，本文利用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真研究。通過建立BLDC電機(jī)仿真模型，可以測試控制系統(tǒng)的閉環(huán)性能，以及不同控制算法對(duì)BLDC電機(jī)性能的影響，從而改進(jìn)控制策略，提高BLDC電機(jī)的效率和精度。

具體步驟如下：

（1）建立BLDC電機(jī)仿真模型

該模型主要包含三個(gè)部分：BLDC電機(jī)電路模型、電機(jī)機(jī)械模型和電機(jī)控制模型。其中，電機(jī)電路模型用于計(jì)算電機(jī)的電流和電磁力，電機(jī)機(jī)械模型用于計(jì)算電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和角速度，電機(jī)控制模型用于檢測電機(jī)狀態(tài)、控制電機(jī)狀態(tài)和計(jì)算電機(jī)誤差。

（2）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)主要采用PID控制算法進(jìn)行控制。通過對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行反饋控制，以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到所需的條件。

（3）仿真結(jié)果分析

通過對(duì)比不同控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及電機(jī)參數(shù)在不同負(fù)載下的表現(xiàn)變化，可以優(yōu)化控制器的參數(shù)，使其更適合于B