关刷电机FOC驱动算法研究
A Study of the Field Oriented Control of Brushless DC Motors
容摘
年高新技术产业迅速发展技术产品着成产产品性求愈加高刷直流电机技术产品核心部分遍交通工具工业设备等高新技术领域相传统控制方法FOC具效率高噪声响应快等特点年FOC算法发展非常迅速
文提出种控制刷直流电机算法通刷直流电机控制系统框架设计尝试应STM32达FOC驱动控制板基础推导FOC控制算法中公式通FOC算法控制刷直流电机避免传统刷直流电机控制算法足提高电机系统运作效率外FOC结合位置传感器算法控制效提高减少工艺成增应范围
关键词： FOC刷电机STM32位置传感器电机参数
Abstract
In recent years the hightech industry has developed rapidly and a lot of technical products have been produced along with it Brushless dc motor is the core part of many technical products covering various hightech fields such as transportation vehicles and industrial equipment Compared with traditional control methods FOC has the characteristics of high efficiency low noise and fast response Therefore FOC algorithm has developed rapidly in recent years
This paper mainly proposes an algorithm to control the brushless dc motor Through the frame design of the brushless dc motor control system it tries to use STM32 to achieve the FOC drive control panel and then deduces the main formula of the FOC control algorithm The brushless dc motor is controlled by FOC algorithm which not only avoids the shortage of the traditional brushless dc motor control algorithm but also improves the operation efficiency of the motor system In addition FOC combined with sensorless algorithm improves control efficiency reduces process cost and increases application scope
KeywordsFOCBLDCM STM32SensorlessMotor Parameter
目录
1绪…………………………………………………………………………1
11研究背景………………………………………………………………1
12国外研究现状………………………………………………………1
13选题背景研究容…………………………………………………2
14文结构………………………………………………………………2
2刷直流电机控制系统基结构………………………………………4
21 刷直流电机控制系统基结构…………………………………4
211机械结构体……………………………………………………4
212刷直流电机驱动部分…………………………………………5
22 刷直流电机控制原理……………………………………………5
23 刷直流电机电流采样………………………………………………6
24 刷直流电机起动……………………………………………………9
241三段式起动法……………………………………………………9
25 动测量电机参数……………………………………………………9
251绕组电阻…………………………………………………………10
252线圈电感…………………………………………………………10
253电机惯性…………………………………………………………10
254电机摩擦力矩阻尼系数……………………………………11
255测量电机极数…………………………………………………11
3感磁场定控制（FOC）算法基原理………………………………12
31 坐标变换………………………………………………………………12
311CLARK变换………………………………………………………12
312PARK变换…………………………………………………………13
313PARK反变换………………………………………………………13
32 SVPWM…………………………………………………………………13
321SVPWM控制原理…………………………………………………14
322SVPWM算法分析…………………………………………………16
33位置传感器算法……………………………………………………17
331反电动势检测法…………………………………………………17
332龙伯格状态观测器………………………………………………18
333高频注入法………………………………………………………19
4刷直流电机控制系统硬件台……………………………………20
41整体硬件台…………………………………………………………20
411 控板……………………………………………………………20
412 驱动板……………………………………………………………22
413 刷直流电机……………………………………………………25
5刷直流电机控制系统软件台……………………………………26
51整体软件台…………………………………………………………26
511 初始化…………………………………………………………27
512 电机起动………………………………………………………28
513 CLARK变换……………………………………………………31
514PARK变换………………………………………………………31
515 反PARK变换…………………………………………………32
516 检测电机绕组电阻……………………………………………32
517 SVPWM…………………………………………………………33
6测试结果…………………………………………………………………37
61测量电机参数………………………………………………………37
62电机起动……………………………………………………………37
63改变电机速度………………………………………………………38
64测试结果分析………………………………………………………39
总结展……………………………………………………………………40
参考文献………………………………………………………………………41
致谢……………………………………………………………………………43
插图 目 录
图11系统结构流程………………………………………………………2
图21刷直流电机控制系统基结构…………………………………4
图22绕组桥结构……………………………………………………6
图23三相Duty Cycle变化情况……………………………………………7
图24情形相变化情况…………………………………………………7
图25情形二相变化情况…………………………………………………8
图26情形三相变化情况…………………………………………………8
图27情形四相变化情况…………………………………………………9
图31第扇区例子…………………………………………………………15
图41整体硬件台结构图…………………………………………………20
图42控板电路……………………………………………………………21
图43外部选择电源电路……………………………………………………21
图44LD1117稳压器电路……………………………………………………22
图45L39050稳压器电路……………………………………………………22
图46功率驱动电路…………………………………………………………23
图47电流检测电路…………………………………………………………24
图48电流保护电路…………………………………………………………25
图49反电动势检测电路……………………………………………………25
图410三相刷直流电机…………………………………………………25
图51keil软件工程…………………………………………………………26
图52FOC运行流程图………………………………………………………27
图61动测量电机参数……………………………………………………37
图62设定速度………………………………………………………………38
图63正反转速度设定………………………………………………………38
图64设定速度零…………………………………………………………39
图65测量速度零…………………………………………………………39
表 目 录
表31相状态应幅值模………………………………………………14
表32 根扇区切换开关序……………………………………………16
表33扇区分布情况………………………………………………………16
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1绪
11研究背景
刷直流电机拥控制精度高寿命长等优点保留刷直流电机机械优势已普种样工业领域汽车行业动化控制航空航天等[1]刷直流电机控制设计条件愈高求生产成低高控制性[2]
方波控制刷直流电机常见控制方式种控制方式然容易120°方波方式启动电机时波动噪声会较[34]FOC基正弦波控制种算法解决方波运行刷直流电机噪声问题电机速度控制变快速准确[5]
位置传感器控制算法出现更解决传统位置传感器系列足麻烦负载起动条件位置传感器控制算法成种更选择[6]外果FOC结合传感器算法会程度扩刷直流电机应领域提高控制系统性
12国外研究现状
早年前刷直流电机运动控制起导作机械换问题限制许应范围解决问题进行少研究
1955年美国学者DHarrison提出种机械电刷1978年MAC典刷直流电机出现标志电子换相刷直流电机进入真正应时期着断探索科技断进步新材料产业微电子产业进步完善先出现方波控制技术正弦波控制技术刷直流电机优点特性前景较乐观应领域断扩国际加强研究特日美国等西方国家具先进电机制造装置控制算法目前刷直流电机控制转速技术成国外研究热点问题[7]
国二十世纪70年代初期启动刷直流电机研究工作时国元器件制作工艺水较低国际研究水差距甚国科技水断升级刷直流电机已达应航空航天工业动化军事等领域前国已世界永磁体生产供应商然中国世界刷直流电机产业占份额逐渐增技术创新力世界发达国家存定距离
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13选题背景研究容
年刷直流电机普领域应体现半导体交通电子机器工业等行业BLDCM控制存着转矩脉动问题磁场定控制（FOC）提出处理该问题电机运行更稳[8]传统检测电机运动位置采机械安装增生产成缩应范围提出位置传感器控制技术必外通动获取电机运行参数等信息获知该电机运转情况位置传感器控制技术[9]会提高电机运转性
14文结构
文尝试应STM32核心板实现FOC结合位置传感器算法驱动控制板基础推导FOC控制算法中公式总流程图11示文章分六章节章节容面介绍：
图11系统结构流程
STM32核心板
第章绪部分介绍刷直流电机控制研究背景意义国外发展史研究情况进行简单介绍
第二章介绍刷直流电机控制系统基结构工作原理介绍电流采样动测量电机参数方法
第三章介绍感磁场定控制（FOC）算法基原理尝试推导中数学公式
第四章阐述刷直流电机控制实验硬件台介绍部分硬件电路构造作
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第五章针刷直流电机控制实验软件台介绍软件台结构FOC算法核心部分
第六章总结系统整体设计系统足提出改进够未进步完善文重点磁场定控制（FOC）算法位置传感器算法研究
2刷直流电机控制系统基结构工作原理
刷直流电机解决刷直流电机机械换带许问题增强控制电机难度[10]国外学者针刷直流电机机械特性应中提出控制算法改进措施[11]
章刷直流电机机械结构体开始然介绍基工作原理进步介绍电流采样控制算法刷直流电机控制系统研究结构包括硬件部分软件部分硬件部分包括刷直流电机机械组成驱动器等软件部分刷直流电机控制算法等
21 刷直流电机控制系统基结构
控制系统包括永磁磁钢转子绕组线圈定子等机械结构体位置传感器控制部分驱动部分
图21刷直流电机控制系统基结构
控制部分
211机械结构体
体转子定子组成根转子结构分转子刷直流电机外转子刷直流电机
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外转子刷直流电机定子位电机部永磁体转子位电机外部连电机输出旋转轴心转子刷直流电机相反定子位电机外壳转子位中心部连输出旋转轴心
铁芯线圈零部件组成定子中定子线圈刷直流电机组成结构中非常重刷直流电机控制环节中定子线圈会通电产生磁动势磁场作产生电磁转矩刷直流电机运转起线圈中会产生反电动势定子电机系统中承担着重角色实际应中会产生磁动势结构着定求
212刷直流电机驱动部分
刷直流电机驱动器包括驱动部分控制部分检测部分电源部分
驱动部分驱动电路组成般采三相桥式换相电路驱动电路般通MCU进行控制该电路功率开关部分元器件组成输出定电功率驱动绕组着电子迅速发展出现开关器件 [1213]
控制部分般MCU组成刷直流电机控制系统核心部分控制电机转速转电流电路保护措施等应场合做组合控制广泛应领域
检测部分刷直流电机正常运转核心包括转子方位电流检测位置传感器位置传感器两种位置传感器磁敏式光电式等Hall传感器磁敏式位置传感器种刷电机控制系统采 [14]位置传感器体积机械安装误差原学者研究出种新位置传感器检测方式程度解决位置传感器结构足
电源部分般直流电源输出然输入控制系统
22 刷直流电机控制原理
刷直流电机通机械电刷进行换相刷直流电机结构没机械电刷传统刷直流电机换相操作采位置传感器方法该方法通位置传感器获知转子方位进行换相[1516]学者提出种位置传感器算法转子方位刷直流电机刷直流电机运转时候达样效果样生产成降低扩应范围
刷直流电机般采三相桥式换相电路控制方式二二导通三三导通[15]
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二二导通中二功率开关元件导通60°电角度进行换相相绕组导通120°三三导通三功率开关元件导通60°电角度进行换相功率通电180°样断导通关闭电机运转指定方位
23刷直流电机电流采样
电流取样刷直流电机控制环节中非常重部分刷直流电机电流取样单电阻取样两电阻取样三电阻取样单电阻电流采样成较低实现较复杂采样会较长失真相取样方法较三电阻实现较简单现元器件普遍应成降里介绍三电阻取样法
三电阻取样法时刻取样读取定子绕组两相电流SVPWM判断扇区进行相电流读取时该绕组桥导通情况读取该相电流图示：
图22绕组桥结构
根KCL知道三相电流间关系：
IA+IB+IC0(21)
通两相电流计算第三相电流情况
三取样电阻法中会干扰情况出现定义TN次桥臂变换时取样电阻产生电子噪声持续时间桥开取样电阻电压稳定达稳定时间两者规定TN里读取相电流
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SVPWM扇区里面会两相Duty Cycle变化外相变换情况必干扰更准确读取相电流需进行种情形讨[17]图
图23三相Duty Cycle变化情况[17]
里定义取样时间TS死区时间TDDuty Cycle变化B相桥Duty CycleA相桥C相桥
情形：SVPWM调制系数较低情况通保证∆DutyA>TD+TN采样点设定时器溢处图
图24情形相变化情况[17]
情形二：着调制系数增加∆DutyA会TD+TS情形采样点设置适合通保证TD+TN>∆DutyA>TN+TS+TD2∆DutyAB
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图25情形二相变化情况[17]
情形三：通保证∆DutyATD+TS+TR情况采样点设A相桥关断前TS处
图26情形三相变化情况[17]
情形四：通保证∆DutyA
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图27情形四相变化情况[17]
三电阻电流取样方法增强取样抗干扰力两条件第测出电流桥必须满足桥导通桥截止桥导通时间短样出该相电流情况
24刷直流电机起动
电机静止时候法检测转子位置信息现研究出少起动检测方法三段式起动法意位置开环起动法特定位置开环启动法短时检测脉转子定位起动法询问起动法等[1516]里介绍三段式启动法原理
241 三段式起动法
三段式起动法般包括三步骤：预定位外步步[16]
确定转子静止时候位置信息中两相导通外相导通达预定相应位置时反电动势零法获换相信息必须进行换相处理电机进行逐步加速运行外步恒压升频法升频升压法恒频升压法三种方式定速度反电动势进行检测进行外步转换步三段起动法中较难操作步骤
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25动测量电机参数
传统电机参数方法般通制作商手册者电气资料提供提供资料假没电子参数机械参数线圈电阻电感KVKT摩擦力阻尼惯性等等电机控制性会降面介绍动测量电子参数机械参数方法[18]
251 绕组电阻
测量绕组电阻果万表测量话测数会准确特低电压低电流情形两种方法避免种情况种通Wheatstone桥Kelvin桥测量外种通堵转方法简称堵转法动测量绕组电阻万表测量
① 电机进行堵转
② 通直流电压源激励电机百毫安电流根欧姆定律
RUI (22)
输入直流电压测量线圈电流会线性数分布图通计算该斜率知道该电阻电机结构情形者温度测量次取均值结果更准确
252线圈电感
测量线圈电感两种方法电感桥方法电感桥通探测电机终端绕组终端1khz处测量二通堵转法测量
① 电机进行堵转反电动势零
② 阶跃输入电压时测量电流记录取样速率取样数
③ 第②步骤数电机中电流静止终稳定状态电流63花费时间设te
Lte*R (23)
计算出线圈电感
253电机惯性
类似测量电机惯性：瞬间激励法交流信号法交流信号法测量出te需较仪器示波器等里介绍瞬间激励法
① 保持电机空载
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② 阶跃输入电压时测量电流记录取样速率取样数
③ 记录数 电机空载中电流静止终稳定状态电流63花费时间设获tm根
Itm*KE*KTR (24)
tmKEKT均出电机惯性特性
254电机摩擦力矩阻尼系数
电机损耗温度变换等影响素造成电机摩擦力阻尼变化实际应中电机控制性影响中造成误差整控制系统十分稳定准确电机摩擦力阻尼系数非常必摩擦分静态摩擦转动摩擦
静态摩擦电流达克服摩擦力矩Tf开始转动时候该电流成起动电流is根
TfKT*is(25)
通测量起动电流摩擦力矩
动态摩擦产生粘性阻尼系数产生原涡电流通电机空载旋转记录空载电流ie时适增加转速记录数根KT*ie速度关系斜率出
255测量电机极数
电机开发板断开连接直流电压源供较电压电压供电超分钟接连接电机两根线手动转动轴检查转动圈时候少次跳动少极数
3感磁场定控制（FOC）算法基原理
磁场定控制FOC（Filed Oriented Control）核心分控制电机励磁电流转矩电流关键控制三相输入电流方FOC坐标变换SVPWM控制两部分
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31 坐标变换
采样三相电流情况系列坐标变换CLARK变换PRAK变换PRAK反变换实际定子电流分解垂直行磁场方分量行磁场方电流分量会产生力矩简称直轴电流垂直磁场方分量电流称交轴电流称旋转力矩分量电流坐标变换完成会通电流PID调整器进行实际值目标值间调节输出相应电压坐标变换输入SVPWM模块进行调整调整作电机
311CLARK变换
FOC算法里面初三相计算模型复杂求解简化该计算模型CLARK变换重角色三相电流IaIbIc三相坐标系转化两相静止坐标系两轴电流IαIβ电机部结构里面三相般互差120 ̊里定义三相应电机三相电流IaIbIcCLARK变换三相电流转换两轴静止坐标系中IαIβ中
IαIβIγ231cos23πcos23π0sin23πsin23π121212IaIbIc (31)
根基尔霍夫电流定律简称KCLIa+Ib+Ic0
Iα 23Ia23Ib+23IcIβ0+13Ib13IcIγ0 (32)
终
Iα IaIβIa+2×Ib3 (33)
312 PARK变换
PARK变换称帕克变换FOC算法中两相静止坐标系中IαIβ转化两相旋转坐标系中IdIqIdIq间相互垂直两者时着磁场方旋转
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Id Iβcosθ+IαsinθIqIαcosθIβsinθ (34)
中θ应电角度
313 PARK反变换
进行PARK变换IdIq会输入PID电流调整器然输出UdUq进行逆PRAK变换UdUq转换UαUβ转换程：
UαUqcosθ+UdsinθUβUdcosθUqsinθ (35)
中θ应电角度
32 SVPWM
SVPWM全称空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation)SVPWM核心输出相电流波形似正弦波形通定方法控制三相全桥里面六功率元件产生FOC算法中通基电压矢量进行组合运算均值更接目标电压矢量面进行程运算推导：
设三相电压UaUbUc
UatUmcosμUbtUmcosμ2π3UctUmcosμ+2π3 (36)
中μ 2πƒtUm相电压效值
化成复指数表达形式三相电压空间矢量进行相加空间矢量Ut
Ut23Uat+Ubtej2π3+Uctej4π3Umejμ (37)
（37）式子Ut运动轨迹似圆形角速度μ旋转空间矢量
321 SVPWM控制原理
驱动电路中三相全桥里面六功率器件组成方便研究相桥组合电压空间矢量变化面定义VX(ABC)电压空间矢量状态中X代表第状态ABC代表该状态三相桥开闭状态中值0桥导通
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1桥导通八状态V0(000)V1(001)V2(010)V3(011)V4(100)V5(101)V6(110)V7(111)种情况相状态表
表31相状态应幅值模
C
B
A
VA
VB
VC
Ut
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2Udc3
Udc3
Udc3
23(Udcej0)
0
1
0
Udc3
Udc3
2Udc3
23(Umejπ3)
0
1
1
Udc3
2Udc3
Udc3
23(Umej2π3)
1
0
0
2Udc3
Udc3
Udc3
23(Umejπ)
1
0
1
Udc3
Udc3
2Udc3
23(Umej4π3)
1
1
0
Udc3
2Udc3
Udc3
23(Umej5π3)
1
1
1
0
0
0
0
表中出非零矢量幅值模(2Udc3)
推导知果TS时间产生合成空间电压矢量假设合成空间电压矢量角速度ω2πf旋转周需T1f时间知旋转周时间分NTTS合成空间电压矢量中θs2πN表示均次增加角度
图31第扇区例子
°
该扇区推导例子图示电压空间量USV4夹角θs根正弦定理推出
UscosθsT4TsV4+T6TsV6cosπ3UssinθsT6TsV6sinπ3 (38)
V4V62Udc3
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T4qTssinπ3θsT6qTssinθs (39)
中q3UsUdcUdc供电源T0T7知(TsT4T6) 半
面式子状态需时间进行波形进行脉宽调制调制中减少开关次数避免必损耗次开闭状态变换时中相进行开闭V0V7V4V0V4V7开关次数时V4V0需开关中相V4V7增加开关次数造成必损耗
该例子知理推导电压空间矢量状态组成扇区样方法样根扇区安排开关序样避免必损耗表
表32根扇区切换开关序
分析知想确定三相电压波形首先电压空间矢量扇区出电压矢量作时长
322 SVPWM算法分析
文UαUβ出Us扇区根反三角函数进行
Vα3∙T∙UαVβT∙Uβ (310)
中TPWM周期三相电压UαUβ关系[15]
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UaVβUbVα+Vβ2UcVβVα2 (311)
推断出扇区分布情况表
表33扇区分布情况[17]
Ub<0
Ub≥0
Uc<0
Uc≥0
Uc<0
Uc≥0
Ua≤0
Ua>0
Ua≤0
Ua>0
扇区号
Ⅴ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅵ
Ⅰ
Ⅱ
方便计算继续利UαUβ简化运算程
tbta+UcSnⅠⅡⅣⅤtc+UaSnⅢⅥ (312)
taT+UaUc2SnⅠⅣT+UbUc2SnⅡⅤTUa+Ub2SnⅢⅥ (313)
tctbUaSnⅠⅣtaUbSnⅡⅤtaUcSnⅢⅥ (314)
知三相高电作时间面公式推算出样出电压矢量作时长
33 位置传感器算法
刷直流电机转子位置检测方法检测方法反电动势法状态观测法等[192021]中反电动势法实际较种检测方法[21]检测导通相反电动势零点延迟30°电角度序转子六关键位置信号[9]
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331 反电动势检测法
反电动势检测法实际反电动势零点刷直流电机运转时两相导通相导通隔60°进行换相导通持续工作120°电动势零时刻时延迟30°电角度换相时间样推导出反电动势
uaubucR000R000Riaibic+LM000LM000LMiaibicPiaibic+eaebec (315)
通化简相电压方程
uaRia+LM∂ia∂t+ea+unubRib+LM∂ib∂t+eb+unucRic+LM∂ic∂t+ec+un (316)
终相电压间关系推导出：
ex32ux12ua+ub+uc(317)
中x三相中A相B相C相
分析知反电动势零点通测量电机三相相电压者三相端电压控制换相[22]相较低转速检测反电动势准确性会降低
332龙伯格状态观测器
龙伯格状态观测器系统输入变量输出变量实际值出状态变量估计值重构系统状态状态观测系统龙伯格状态观测器两种实现方式通PLL模块通PID调整器进行调整信息[23]二通反正切方法转子位置信息转子速度转子位置角电机参数做状态变量进行系统构建里进行第二种实现方式算法推导
面分析知CLARK转化两相静止坐标系uαuβ
uαRia+∂ρa∂t(318)
uβRiβ+∂ρβ∂t(319)
中
ρaLia+sinθ*∅m(320)
ρβLiβ+cosθ*∅m(321)
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θpωt(322)
结合(320)(321)(322)代入(318) (119)
uαRia+L∂ia∂t+∅mpωcospωt(323)
uβRiβ+L∂iβ∂t+∅mpωsinpωt(324)
[24]
∂ia∂tRiaL∅mLpωcospωt+uαL(325)
∂iβ∂tRiβL∅mLpωcospωt+uβL(326)
设eαeβ[17]
eα∅mpωcospωt(327)
eβ∅mpωsinpωt(328)
根反正切函数
θarctaneβeα(329)
转子位置信息周期π实际2π进行处理[25]
ωeα2+eβ2∅mp(330)
333 高频注入法
针转子低速运行时转子位置信息转速估计准确情况美国学者提出高频注入方法该方法根电机凸极效应通定子绕组输入持续高频激励信号检测定子参数进行信号处理转子位置速度信息通电机凸极效应实现信息获取电机参变量变化获取信息作准确获转子位置转速信息
般说采高频注入法旋转高频电压注入法脉振高频电压注入法中灵活选择注入高频信号幅值频率估计转子位置信息非常重步
总说高频注入法相方法更准确获转子位置转速信息演算较复杂注入高频信号求较高里做详细推导
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4刷直流电机控制系统硬件台
面章介绍FOC传感器算法等算法原理控制系统软件硬件软件需硬件运行时硬件优劣会影响软件硬件构造性求非常必
41 整体硬件台
刷直流电机控制系统基STM32F401微处理器控板驱动板PC位机刷直流电动机电源等组成控板作系统控制信息处理重部分算法运行基础台驱动板包括功率驱动电路检测电流电路检测反电动势电路电流保护电路等PC位机通串口控板进行通信作控制检测电机运作状态电源选直流电源器整体硬件台结构图
图41整体硬件台结构图
411控板
控板包括MCU电路电源电路MCU电路选基ARM CortexM4处理器作控板控制中心电源电路外部电源供电压通稳压芯片稳压电压提供控板电压会系统工作更稳定
4111 MCU电路
控板MCU选STM32F401RE般工作40℃105℃温度范围该芯片工作频率高达84M赫兹拥256K字节闪存64K字节SRAM高达11定时器频率高达84M赫兹616位232位定时器IO端口中包括12位AD转换高达11通信接口中包括高达3IIC接口4SPI接口三USARTs[2627]等
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图42 控板电路[28]
4112 电源电路
稳定供电压控板正常运行保障
控板电源电路选型号LD1117S50TR低压差稳压器型号LD39050500毫安低静态电流低噪声电压稳压器里选择LD1117提供电压者通外部供电压然该供电压LD39050稳压输出33V供MCU
图43外部选择电源电路[28]
型号LD1117S50TR低压稳压器般工作0℃125℃温度范围输入电压高达15V该稳压器供高达800毫安输出电流里选固定输出电压5V
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图44 LD1117稳压器电路[28]
型号LD39050稳压器着超低压低静态电流低噪声优点供MCUMCU运行更稳定输入电压范围15V55V般工作40℃125℃温度范围该稳压器提供高达500毫安输出电流输出电压08V45V间里输出电压33V电压供MCU
图45 L39050稳压器电路[28]
412驱动板
驱动板包括功率驱动电路电流采样电路反电动势检测电路驱动板工作直流电压正常范围8V48V高达15A输出电流电流保护措施配置成闭环控制传感器控制传感器控制选择三采样单采样[29] L6398门驱动器STL220N6F7功率MOSFET组合刷直流电机形成高电流电源台
4121 功率驱动电路
驱动板包括功率驱动电路电流采样电路电源电路功率驱动电路基型号STL220N6F7拥低导通电阻功率N沟道260A 60VMOSFETL6398驱动器图
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图46功率驱动电路[29]
4122电流采样电路
电流采样电路系统稳定运行关键电流采样电路电流保护电路电流采样电路组成电流采样作般两第保护控制系统防止电流异常损坏第二反馈微处理器作MCU更控制电机运转
电流检测电路基TSV994IPT三采样电阻三采样电阻001欧姆 1W功率电阻图
图47电流检测电路[29]
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电流保护电路硬件检测电路实现采样电流MCU提供参考电流进行较然BKIN输出信息
图48电流保护电路[29]
4122反电动势检测电路
六步驱动模式三相中中相处高阻抗状态通相电压较中点引线电压检测反电动势零点图
图49反电动势检测电路[29]
413刷直流电机
采奔牛公司BR28041700Kv1型三相刷直流电动机该电机重量约23g电机电压111V空载电流06A空转约18000rpm负载电流56A负载转速约12540rpm常应航模等
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图410三相刷直流电机
5刷直流电机控制系统软件台
硬件台控制系统根基软件台控制系统核心控制系统性软件台决定意法半导体公司方便开发者开发提供相应固件库面阐述整体软件台FOC算法部分代码[17]
51整体软件台
该软件台组成模块通信模块算法模块电机控制模块等模块构造成图示该工程五源程序组组成Startup组初始化堆栈指针中断量表User组初始化中断处理配置HAL组标准库文件CMSIS组存放核文件MotorControl组电机控制程序算法
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图51 keil软件工程[17]
首先程序会进行电初始化分外设时钟GPIOADC串口终端电机控制进行初始化接会起动电机电机正常起动检测相电流相电流进行CLARK变换Iα Iβ 然进行PARK变换IdIqPARK变换完成会通电流PID调整器进行实际值目标值间调节输出相应电压UdUq反PARK变换Uα Uβ 输入SVPWM模块进调制作电机流程图
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图52 FOC运行流程图
511初始化
初始化程序包括系统资源初始化配置首先全部外设复位初始化时钟接着会分初始化配置GPIOADCDAC定时器串口然会进行电机模块初始化初始化中断中初始化包括变量函数电机控制系统参数配置程序
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[17]：
HAL_Init()
SystemClock_Config()
GPIO_Init()
ADC1_Init()
TIM1_Init()
USART2_UART_Init()
MotorControl_Init()
NVIC_Init()
512电机起动
第二章介绍电机启动算法知电机静止时候法检测该电机转子状态电机够正常起动通三段式起动法电机达稳定转速检测转子位置信息
三段式起动法般分三步骤预定位外步步
首先进行预定位转矩电流设0设励磁电流然进行预定位操作系列坐标变换进行SVPWM调制转子正常起动前预定位置程序[17]：
TAlign++
if(TAlign < TAligndura)
{
Flux_Reference ALIGNMAX_I * TAlign TAligndura
Torque_Reference 0
Curr_ab GET_PHASE_CURRENTS()
Curr_albe Clark_transform (Curr_ab)
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Curr_q_d Park_transform(Curr_albe ALIGNMENT_ANGLE)
output reference Vqs
Volt_q_duq PID_Regulator(Torque_ReferenceCurr_q_did &PID_Torque_InitStructure)
output referenceVds
Volt_q_dud PID_Regulator(Flux_ReferenceCurr_q_diq &PID_Flux_InitStructure)
RevPark_Circle_Limitation()normalization
Volt_alfa_beta Rev_Park_transform(Volt_q_d)
CALC_SVPWM(Volt_alfa_beta)
}
电机达预定位置时反电动势0法获换相信息接进行外步通定时间范围电流范围断升高电流频率果范围算法收敛起动成功否失败程序[17]：
Time ++
if (Time < I_STARTUP_PWM_STEPS)
{
Start_Up_Freq + hFreq_Inc
Start_Up_I + hI_Inc
}
else if (Time< FREQ_STARTUP_PWM_STEPS )
{
Start_Up_Freq + hFreq_Inc
}
else
{
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MCL_SetFault(START_UP_FAILURE)
Re_initialize Start Up
STO_StartUp_Init()
}
Add angle increment for rampup to FINAL_START_UP_SPEED
hAux Start_Up_Freq
hAngle (hAngle + (1(SAMPLING_FREQhAux)))
Curr_ab GET_PHASE_CURRENTS()
Curr_albe Clark_transform (Curr_ab)
Curr_q_d Park_transform(Curr_albe ALIGNMENT_ANGLE)
hAux Start_Up_I1024
Torque_Reference hAux
Flux_Reference 0
output reference Vqs
Volt_q_duq PID_Regulator(Torque_ReferenceCurr_q_did &PID_Torque_InitStructure)
output reference Vds
Volt_q_dud PID_Regulator(Flux_ReferenceCurr_q_diq&PID_Flux_InitStructure)
RevPark_Circle_Limitation()normalization
Volt_alfa_beta Rev_Park_transform(Volt_q_d)
CALC_SVPWM(Volt_alfa_beta)
STO_Calc_Rotor_Angle(Volt_alfa_betaCurr_albeMCL_Get_BusVolt())
Check for algorithm convergence
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if (IsObserverConverged()TRUE)
{
State RUN
}
电机成功起动外步切换步测定达固定转速时间判断否成功
513CLARK变换
文知CLARK变换求出Iα Iβ 该程序三相电流转换Iα Iβ 返回输出值程序[17]
ia_1dsqrt3_tmp 1divSQRT_3 * inputia
ib_1dsqrt3_tmp 1divSQRT_3 * inputib
beta_tmp1 ( ( ia_1dsqrt3_tmp ) ( ib_1dsqrt3_tmp ) ( ib_1dsqrt3_tmp ) )
beta_tmp2 beta_tmp1
outputbeta beta_tmp2
returnoutput
514 PARK变换
文知PARK变换求出IdIq该程序Iα Iβ 转换IdIq返回输出值程序[17]：
sin_cos1 Trig_functions(theta) returns cos and sin
Iq_tmp_1 inputalpha * sin_cos1cos
Iq_tmp_2 inputbeta *sin_cos1sin
Id_tmp_1 inputalpha * sin_cos1sin
Id_tmp_2 inputbeta * sin_cos1cos
Iq_1 Iq_tmp_1
Iq_2 Iq_tmp_2
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Id_1 Id_tmp_1
Id_2 Id_tmp_2
outputiq ((Iq_1)(Iq_2))
outputid ((Id_1)+(Id_2))
return (output)
515反PARK变换
文知反PARK变换求出Uα Uβ 该程序UdUq转换Uα Uβ 返回输出值程序[17]：
alpha_tmp1 inputuq * sin_cos1cos Uq*cosθ
alpha_tmp2 inputud * sin_cos1sin Ud*sinθ
alpha_1 alpha_tmp1
alpha_2 alpha_tmp2 UalphaUq*cosθ+ Ud*sinθ
beta_tmp1 inputuq * sin_cos1sin Uq*sinθ
beta_tmp2 inputud * sin_cos1cos Ud*cosθ
beta_1 beta_tmp1
beta_2 beta_tmp2
outputalpha ((alpha_1)+(alpha_2))
outputbeta (beta_2)(beta_1) UbetaUd*cosθ Uq*sinθ
return(output)
516检测电机绕组电阻
检测绕组电阻通设定电流取样数取均程序[17]：
lock() lock motor
const float current_avg m_samplesavg_current (float)m_samplessample_num
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constfloatvoltage_avg m_samplesavg_voltage (float)m_samplessample_num
un_lock() Stop
return (voltage_avg current_avg)
517SVPWM
里根第三章SVPWM算法解析进行程序应扇区判断计算相高电时间PWM模式中心齐相电压必须集中占空50程序[17]：
T_Sqrt3 T*Sqrt3
VAlpha Ualpha * T_Sqrt3
VBeta ( Vbeta * T)
X VBeta
Y ( VBeta + VAlpha ) 2
Z ( VBeta VAlpha ) 2
Sector calculation
if ( Y< 0 )
{
if ( Z< 0 )
{
Sector SECTOR_5
TPhA T 4 + ( ( Y Z ) 2)
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhA Y
}
else * Z> 0 *
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if ( X< 0 )
{
Sector SECTOR_4
TPhA T 4 + ( ( X Z ) 2 )
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhB X
lowDuty TPhC
midDuty TPhB
highDuty TPhA
}
else * X> 0 *
{
Sector SECTOR_3
TPhA T 4 + ( ( Y X ) 2)
TPhC TPhA Y
TPhB TPhC + X
lowDuty TPhB
midDuty TPhC
highDuty TPhA
}
}
else * Y> 0 *
{
if ( Z> 0 )
{
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Sector SECTOR_2
TPhA T 4 + ( ( Y Z ) 2 )
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhA Y
lowDuty TPhB
midDuty TPhA
highDuty TPhC
}
else * Z< 0 *
if ( X< 0 )
{
Sector SECTOR_6
TPhA T 4 + ( ( Y X ) 2 )
TPhC TPhA Y
TPhB TPhC + X
lowDuty TPhA
midDuty TPhC
highDuty TPhB
}
else * X> 0 *
{
Sector SECTOR_1
TPhA T 4 + ( ( X Z ) 2 )
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhB X
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lowDuty TPhA
midDuty TPhB
highDuty TPhC
}
}
6测试结果
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介绍刷直流电机控制系统通测试控制系统进行评估首先进行测试测量电机参数结果第二通设定特定转速判断FOC算法运行否正确第三通改变电机参数控制系统电机运行状态意法半导体公司提供仅适电机控制微处理器MCU提供免费易电机控制库方便展示测试结果通助该软件台进行测试操作
61测量电机参数
首先进行通电连接电路检查电机开发板否异常接线否正确手动转动电机检查电机否异常然连接开发板电机接电源硬件连接检查误启动开发板开发板位机进行连接通讯进行检测电机参数
图示线圈电阻线圈电感等电机参数
图61动测量电机参数
62电机起动
首先通配置电机起动参数图示
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图62 设定速度
接观察电机转动状态电机起动成功成功获电机速度
63改变电机速度
通改变电机速度观察电机运作状态变化验证算法性通设定正转速度反转速度然设定速度0观察电机变化情况图示
图63 正反转速度设定
设定电机速度0图示
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图64设定速度零
观察时检测电机速度零图示
图65 测量速度零
64测试结果分析
面测试结果知刷直流电机运行速度波动稳定运行指定速度响应时间够快传统刷直流电机控制言传感器算法FOC算法结合运通软硬件台实验测试良测试结果表明两算法程度提升刷直流电机控制系统性外动测量电机参数更带更便利
总结展
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刷直流电机控制研究更控制科学年正处蓬勃发展时期应场景越越广泛现已形成完整控制算法体系包括方波正弦波形成
文利STM32F401开发板运FOC驱动控制板基础推导FOC控制算法疫情原设备齐全未真正操作展示更实验相信需工夫做进步研究
刷直流电机方面广泛应时根实际应需文研究需进步完善发展文开发刷直流电机觉存足需改进方
（1） 设备原设备较久久断会造成定损耗
（2） 疫情原某元器件零件时采购该应时制作成熟产品
（3） 关FOC控制算法改进文介绍范围未进行方面调查研究断完善
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参 考 文 献
[1] Jeddi N Amraoui L E Tadeo F Modelling and simulation of a BLDC motor speed control system for electric vehicles[J] International Journal of Electric & Hybrid Vehicles 2016 8(2)178
[2] 殷云华 郑宾 郑浩鑫 种基Matlab刷直流电机控制系统建模仿真方法[J] 系统仿真学报 2008 20(2)293298
[3] 李冬冬 潘海鹏 顾敏明 刷直流电机矢量控制策略实现[J] 机电工程 2017(3)
[4] 陈炜峰 赵伟 余莉 位置传感器刷直流电机矢量控制研究Research of Sensorless Brushless DC Motor Based on Field Orientation Control[J] 微电机 049(2)656877
[5] 周娟 刷直流电机磁场定控制（FOC）算法研究[D] 201714710
[6] 张相军 陈伯时 朱 et al Zerocrossing Algorithm and Phase Correction of BEMF in the Sensorless Control of Trapezoidal BLDC Motors直流刷电机位置传感器控制中反电动势零检测算法相位修正[J] 电气传动 2001 031(002)1416
[7] 程启明 杨龙 高杰 et al Speed Control System of Permanent Magnet Brushless DC Motor Based on Variable Parameter PID Controller基参数变PID控制器永磁刷直流电机转速控制系统[J] 电机控制应 044(1)182255
[8] 肖金凤 喻金 盛义发 et al 刷直流电机磁场定控制系统研究Study of Brushless Direct Current Motor Control System Based on Field Orientation Control[J] 电力电子技术 2012 046(011)103105
[9] 李成 刷直流电机位置传感器控制关键技术研究[D] 华中科技学 201014813
[10] 王正家 博 李涛 et al 基模糊适应PI刷直流电机调速系统研究Study on fuzzy adaptive PI based speed control system of brushless DC motor[J] 现代电子技术 2019 042(001)139142
[11] 蒋元广 施周 孙晓东 et al 电动车直流刷电机永磁结构分析Comparative Analysis of Different Permanent Magnetic Structures of Brushless DC Motor for Electric Vehicle[J] 电气传动 049(002)6165
[12] 牛海清谢运祥 刷直流电动机控制技术发展[J] 微电机(5)3638
[13] 张敬硕 刷直流电机位置传感器控制方法研究[D]2018810
[14] 夏长亮 方红伟 永磁刷直流电机控制[J] 电工技术学报 2012(03)3140
[15] 李强 位置传感器刷直流电动机运行理控制系统研究[D] 东南学 20058111520
[16] 易慧斌 位置传感器刷直流电机起动方法研究[D] 西南交通学 2012210
[17] STMicroelectronics STM32F PMSM singledual FOC SDK (UM1052) 2016
[18] Saber® Model Architect Tool User Guide Version D200912
[19] 张前 高速刷直流电机控制器开发关键技术研究[D] 2018612
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[20] 王晓远 傅涛 Position Sensorless Control of BLDC Motor Based on Global Fast Terminal Sliding Mode Observer基全局快速终端滑模观测器刷直流电机位置传感器控制[J] 电工技术学报 2017 032(011)164172
[21] 周勇 米彦昭 汪嘉瑶 et al 位置传感器刷直流电机位置检测启动控制研究Research on the Position Detection and Start Control for Sensorless Brushless DC Motor[J] 西北工业学学报 035(2)208212
[22] 朱高剑 基位置传感器刷直流电机控制系统研究[D] 西南交通学 2012914
[23] 陈卫兵 宗蔚 张凯泉 et al 基龙伯格观测器埋式永磁步电机位置控制算法A Sensorless Control Algorithm for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Luenberger Observer[J] 湖南工业学学报 2016 030(002)2125
[24] 张凯泉 基龙伯格观测器法永磁步电机感矢量控制算法改进研究[D]1722
[25] 周双飞 黄海波 简炜 Research on Application of Luenberger Observer in Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous MotorLuenberger观测器永磁步电机传感器控制中应研究[J] 电机控制应 044(10)596266
[26] STMicroelectronics STM32F40X Datasheet (DS9716) 2019
[27] STMicroelectronics STM32F40X Reference Manuals (RM0368) 2018
[28] STMicroelectronics STM32 Nucleo64 Board User Manual (UM1724) 2016
[29] STMicroelectronics XNUCLEOIHM08M1 Board User Manual (UM1996) 2017
[30] STMicroelectronics STM32 motor control SDK v52 tools User Manual (UM2380)
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关刷电机FOC驱动算法研究
A Study of the Field Oriented Control of Brushless DC Motors
容摘
年高新技术产业迅速发展技术产品着成产产品性求愈加高刷直流电机技术产品核心部分遍交通工具工业设备等高新技术领域相传统控制方法FOC具效率高噪声响应快等特点年FOC算法发展非常迅速
文提出种控制刷直流电机算法通刷直流电机控制系统框架设计尝试应STM32达FOC驱动控制板基础推导FOC控制算法中公式通FOC算法控制刷直流电机避免传统刷直流电机控制算法足提高电机系统运作效率外FOC结合位置传感器算法控制效提高减少工艺成增应范围
关键词： FOC刷电机STM32位置传感器电机参数
Abstract
In recent years the hightech industry has developed rapidly and a lot of technical products have been produced along with it Brushless dc motor is the core part of many technical products covering various hightech fields such as transportation vehicles and industrial equipment Compared with traditional control methods FOC has the characteristics of high efficiency low noise and fast response Therefore FOC algorithm has developed rapidly in recent years
This paper mainly proposes an algorithm to control the brushless dc motor Through the frame design of the brushless dc motor control system it tries to use STM32 to achieve the FOC drive control panel and then deduces the main formula of the FOC control algorithm The brushless dc motor is controlled by FOC algorithm which not only avoids the shortage of the traditional brushless dc motor control algorithm but also improves the operation efficiency of the motor system In addition FOC combined with sensorless algorithm improves control efficiency reduces process cost and increases application scope
KeywordsFOCBLDCM STM32SensorlessMotor Parameter
目录
1绪…………………………………………………………………………1
11研究背景………………………………………………………………1
12国外研究现状………………………………………………………1
13选题背景研究容…………………………………………………2
14文结构………………………………………………………………2
2刷直流电机控制系统基结构………………………………………4
21 刷直流电机控制系统基结构…………………………………4
211机械结构体……………………………………………………4
212刷直流电机驱动部分…………………………………………5
22 刷直流电机控制原理……………………………………………5
23 刷直流电机电流采样………………………………………………6
24 刷直流电机起动……………………………………………………9
241三段式起动法……………………………………………………9
25 动测量电机参数……………………………………………………9
251绕组电阻…………………………………………………………10
252线圈电感…………………………………………………………10
253电机惯性…………………………………………………………10
254电机摩擦力矩阻尼系数……………………………………11
255测量电机极数…………………………………………………11
3感磁场定控制（FOC）算法基原理………………………………12
31 坐标变换………………………………………………………………12
311CLARK变换………………………………………………………12
312PARK变换…………………………………………………………13
313PARK反变换………………………………………………………13
32 SVPWM…………………………………………………………………13
321SVPWM控制原理…………………………………………………14
322SVPWM算法分析…………………………………………………16
33位置传感器算法……………………………………………………17
331反电动势检测法…………………………………………………17
332龙伯格状态观测器………………………………………………18
333高频注入法………………………………………………………19
4刷直流电机控制系统硬件台……………………………………20
41整体硬件台…………………………………………………………20
411 控板……………………………………………………………20
412 驱动板……………………………………………………………22
413 刷直流电机……………………………………………………25
5刷直流电机控制系统软件台……………………………………26
51整体软件台…………………………………………………………26
511 初始化…………………………………………………………27
512 电机起动………………………………………………………28
513 CLARK变换……………………………………………………31
514PARK变换………………………………………………………31
515 反PARK变换…………………………………………………32
516 检测电机绕组电阻……………………………………………32
517 SVPWM…………………………………………………………33
6测试结果…………………………………………………………………37
61测量电机参数………………………………………………………37
62电机起动……………………………………………………………37
63改变电机速度………………………………………………………38
64测试结果分析………………………………………………………39
总结展……………………………………………………………………40
参考文献………………………………………………………………………41
致谢……………………………………………………………………………43
插图 目 录
图11系统结构流程………………………………………………………2
图21刷直流电机控制系统基结构…………………………………4
图22绕组桥结构……………………………………………………6
图23三相Duty Cycle变化情况……………………………………………7
图24情形相变化情况…………………………………………………7
图25情形二相变化情况…………………………………………………8
图26情形三相变化情况…………………………………………………8
图27情形四相变化情况…………………………………………………9
图31第扇区例子…………………………………………………………15
图41整体硬件台结构图…………………………………………………20
图42控板电路……………………………………………………………21
图43外部选择电源电路……………………………………………………21
图44LD1117稳压器电路……………………………………………………22
图45L39050稳压器电路……………………………………………………22
图46功率驱动电路…………………………………………………………23
图47电流检测电路…………………………………………………………24
图48电流保护电路…………………………………………………………25
图49反电动势检测电路……………………………………………………25
图410三相刷直流电机…………………………………………………25
图51keil软件工程…………………………………………………………26
图52FOC运行流程图………………………………………………………27
图61动测量电机参数……………………………………………………37
图62设定速度………………………………………………………………38
图63正反转速度设定………………………………………………………38
图64设定速度零…………………………………………………………39
图65测量速度零…………………………………………………………39
表 目 录
表31相状态应幅值模………………………………………………14
表32 根扇区切换开关序……………………………………………16
表33扇区分布情况………………………………………………………16
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1绪
11研究背景
刷直流电机拥控制精度高寿命长等优点保留刷直流电机机械优势已普种样工业领域汽车行业动化控制航空航天等[1]刷直流电机控制设计条件愈高求生产成低高控制性[2]
方波控制刷直流电机常见控制方式种控制方式然容易120°方波方式启动电机时波动噪声会较[34]FOC基正弦波控制种算法解决方波运行刷直流电机噪声问题电机速度控制变快速准确[5]
位置传感器控制算法出现更解决传统位置传感器系列足麻烦负载起动条件位置传感器控制算法成种更选择[6]外果FOC结合传感器算法会程度扩刷直流电机应领域提高控制系统性
12国外研究现状
早年前刷直流电机运动控制起导作机械换问题限制许应范围解决问题进行少研究
1955年美国学者DHarrison提出种机械电刷1978年MAC典刷直流电机出现标志电子换相刷直流电机进入真正应时期着断探索科技断进步新材料产业微电子产业进步完善先出现方波控制技术正弦波控制技术刷直流电机优点特性前景较乐观应领域断扩国际加强研究特日美国等西方国家具先进电机制造装置控制算法目前刷直流电机控制转速技术成国外研究热点问题[7]
国二十世纪70年代初期启动刷直流电机研究工作时国元器件制作工艺水较低国际研究水差距甚国科技水断升级刷直流电机已达应航空航天工业动化军事等领域前国已世界永磁体生产供应商然中国世界刷直流电机产业占份额逐渐增技术创新力世界发达国家存定距离
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13选题背景研究容
年刷直流电机普领域应体现半导体交通电子机器工业等行业BLDCM控制存着转矩脉动问题磁场定控制（FOC）提出处理该问题电机运行更稳[8]传统检测电机运动位置采机械安装增生产成缩应范围提出位置传感器控制技术必外通动获取电机运行参数等信息获知该电机运转情况位置传感器控制技术[9]会提高电机运转性
14文结构
文尝试应STM32核心板实现FOC结合位置传感器算法驱动控制板基础推导FOC控制算法中公式总流程图11示文章分六章节章节容面介绍：
图11系统结构流程
STM32核心板
第章绪部分介绍刷直流电机控制研究背景意义国外发展史研究情况进行简单介绍
第二章介绍刷直流电机控制系统基结构工作原理介绍电流采样动测量电机参数方法
第三章介绍感磁场定控制（FOC）算法基原理尝试推导中数学公式
第四章阐述刷直流电机控制实验硬件台介绍部分硬件电路构造作
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第五章针刷直流电机控制实验软件台介绍软件台结构FOC算法核心部分
第六章总结系统整体设计系统足提出改进够未进步完善文重点磁场定控制（FOC）算法位置传感器算法研究
2刷直流电机控制系统基结构工作原理
刷直流电机解决刷直流电机机械换带许问题增强控制电机难度[10]国外学者针刷直流电机机械特性应中提出控制算法改进措施[11]
章刷直流电机机械结构体开始然介绍基工作原理进步介绍电流采样控制算法刷直流电机控制系统研究结构包括硬件部分软件部分硬件部分包括刷直流电机机械组成驱动器等软件部分刷直流电机控制算法等
21 刷直流电机控制系统基结构
控制系统包括永磁磁钢转子绕组线圈定子等机械结构体位置传感器控制部分驱动部分
图21刷直流电机控制系统基结构
控制部分
211机械结构体
体转子定子组成根转子结构分转子刷直流电机外转子刷直流电机
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外转子刷直流电机定子位电机部永磁体转子位电机外部连电机输出旋转轴心转子刷直流电机相反定子位电机外壳转子位中心部连输出旋转轴心
铁芯线圈零部件组成定子中定子线圈刷直流电机组成结构中非常重刷直流电机控制环节中定子线圈会通电产生磁动势磁场作产生电磁转矩刷直流电机运转起线圈中会产生反电动势定子电机系统中承担着重角色实际应中会产生磁动势结构着定求
212刷直流电机驱动部分
刷直流电机驱动器包括驱动部分控制部分检测部分电源部分
驱动部分驱动电路组成般采三相桥式换相电路驱动电路般通MCU进行控制该电路功率开关部分元器件组成输出定电功率驱动绕组着电子迅速发展出现开关器件 [1213]
控制部分般MCU组成刷直流电机控制系统核心部分控制电机转速转电流电路保护措施等应场合做组合控制广泛应领域
检测部分刷直流电机正常运转核心包括转子方位电流检测位置传感器位置传感器两种位置传感器磁敏式光电式等Hall传感器磁敏式位置传感器种刷电机控制系统采 [14]位置传感器体积机械安装误差原学者研究出种新位置传感器检测方式程度解决位置传感器结构足
电源部分般直流电源输出然输入控制系统
22 刷直流电机控制原理
刷直流电机通机械电刷进行换相刷直流电机结构没机械电刷传统刷直流电机换相操作采位置传感器方法该方法通位置传感器获知转子方位进行换相[1516]学者提出种位置传感器算法转子方位刷直流电机刷直流电机运转时候达样效果样生产成降低扩应范围
刷直流电机般采三相桥式换相电路控制方式二二导通三三导通[15]
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二二导通中二功率开关元件导通60°电角度进行换相相绕组导通120°三三导通三功率开关元件导通60°电角度进行换相功率通电180°样断导通关闭电机运转指定方位
23刷直流电机电流采样
电流取样刷直流电机控制环节中非常重部分刷直流电机电流取样单电阻取样两电阻取样三电阻取样单电阻电流采样成较低实现较复杂采样会较长失真相取样方法较三电阻实现较简单现元器件普遍应成降里介绍三电阻取样法
三电阻取样法时刻取样读取定子绕组两相电流SVPWM判断扇区进行相电流读取时该绕组桥导通情况读取该相电流图示：
图22绕组桥结构
根KCL知道三相电流间关系：
IA+IB+IC0(21)
通两相电流计算第三相电流情况
三取样电阻法中会干扰情况出现定义TN次桥臂变换时取样电阻产生电子噪声持续时间桥开取样电阻电压稳定达稳定时间两者规定TN里读取相电流
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SVPWM扇区里面会两相Duty Cycle变化外相变换情况必干扰更准确读取相电流需进行种情形讨[17]图
图23三相Duty Cycle变化情况[17]
里定义取样时间TS死区时间TDDuty Cycle变化B相桥Duty CycleA相桥C相桥
情形：SVPWM调制系数较低情况通保证∆DutyA>TD+TN采样点设定时器溢处图
图24情形相变化情况[17]
情形二：着调制系数增加∆DutyA会TD+TS情形采样点设置适合通保证TD+TN>∆DutyA>TN+TS+TD2∆DutyAB
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图25情形二相变化情况[17]
情形三：通保证∆DutyA
图26情形三相变化情况[17]
情形四：通保证∆DutyA
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图27情形四相变化情况[17]
三电阻电流取样方法增强取样抗干扰力两条件第测出电流桥必须满足桥导通桥截止桥导通时间短样出该相电流情况
24刷直流电机起动
电机静止时候法检测转子位置信息现研究出少起动检测方法三段式起动法意位置开环起动法特定位置开环启动法短时检测脉转子定位起动法询问起动法等[1516]里介绍三段式启动法原理
241 三段式起动法
三段式起动法般包括三步骤：预定位外步步[16]
确定转子静止时候位置信息中两相导通外相导通达预定相应位置时反电动势零法获换相信息必须进行换相处理电机进行逐步加速运行外步恒压升频法升频升压法恒频升压法三种方式定速度反电动势进行检测进行外步转换步三段起动法中较难操作步骤
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25动测量电机参数
传统电机参数方法般通制作商手册者电气资料提供提供资料假没电子参数机械参数线圈电阻电感KVKT摩擦力阻尼惯性等等电机控制性会降面介绍动测量电子参数机械参数方法[18]
251 绕组电阻
测量绕组电阻果万表测量话测数会准确特低电压低电流情形两种方法避免种情况种通Wheatstone桥Kelvin桥测量外种通堵转方法简称堵转法动测量绕组电阻万表测量
① 电机进行堵转
② 通直流电压源激励电机百毫安电流根欧姆定律
RUI (22)
输入直流电压测量线圈电流会线性数分布图通计算该斜率知道该电阻电机结构情形者温度测量次取均值结果更准确
252线圈电感
测量线圈电感两种方法电感桥方法电感桥通探测电机终端绕组终端1khz处测量二通堵转法测量
① 电机进行堵转反电动势零
② 阶跃输入电压时测量电流记录取样速率取样数
③ 第②步骤数电机中电流静止终稳定状态电流63花费时间设te
Lte*R (23)
计算出线圈电感
253电机惯性
类似测量电机惯性：瞬间激励法交流信号法交流信号法测量出te需较仪器示波器等里介绍瞬间激励法
① 保持电机空载
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② 阶跃输入电压时测量电流记录取样速率取样数
③ 记录数 电机空载中电流静止终稳定状态电流63花费时间设获tm根
Itm*KE*KTR (24)
tmKEKT均出电机惯性特性
254电机摩擦力矩阻尼系数
电机损耗温度变换等影响素造成电机摩擦力阻尼变化实际应中电机控制性影响中造成误差整控制系统十分稳定准确电机摩擦力阻尼系数非常必摩擦分静态摩擦转动摩擦
静态摩擦电流达克服摩擦力矩Tf开始转动时候该电流成起动电流is根
TfKT*is(25)
通测量起动电流摩擦力矩
动态摩擦产生粘性阻尼系数产生原涡电流通电机空载旋转记录空载电流ie时适增加转速记录数根KT*ie速度关系斜率出
255测量电机极数
电机开发板断开连接直流电压源供较电压电压供电超分钟接连接电机两根线手动转动轴检查转动圈时候少次跳动少极数
3感磁场定控制（FOC）算法基原理
磁场定控制FOC（Filed Oriented Control）核心分控制电机励磁电流转矩电流关键控制三相输入电流方FOC坐标变换SVPWM控制两部分
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31 坐标变换
采样三相电流情况系列坐标变换CLARK变换PRAK变换PRAK反变换实际定子电流分解垂直行磁场方分量行磁场方电流分量会产生力矩简称直轴电流垂直磁场方分量电流称交轴电流称旋转力矩分量电流坐标变换完成会通电流PID调整器进行实际值目标值间调节输出相应电压坐标变换输入SVPWM模块进行调整调整作电机
311CLARK变换
FOC算法里面初三相计算模型复杂求解简化该计算模型CLARK变换重角色三相电流IaIbIc三相坐标系转化两相静止坐标系两轴电流IαIβ电机部结构里面三相般互差120 ̊里定义三相应电机三相电流IaIbIcCLARK变换三相电流转换两轴静止坐标系中IαIβ中
IαIβIγ231cos23πcos23π0sin23πsin23π121212IaIbIc (31)
根基尔霍夫电流定律简称KCLIa+Ib+Ic0
Iα 23Ia23Ib+23IcIβ0+13Ib13IcIγ0 (32)
终
Iα IaIβIa+2×Ib3 (33)
312 PARK变换
PARK变换称帕克变换FOC算法中两相静止坐标系中IαIβ转化两相旋转坐标系中IdIqIdIq间相互垂直两者时着磁场方旋转
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Id Iβcosθ+IαsinθIqIαcosθIβsinθ (34)
中θ应电角度
313 PARK反变换
进行PARK变换IdIq会输入PID电流调整器然输出UdUq进行逆PRAK变换UdUq转换UαUβ转换程：
UαUqcosθ+UdsinθUβUdcosθUqsinθ (35)
中θ应电角度
32 SVPWM
SVPWM全称空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation)SVPWM核心输出相电流波形似正弦波形通定方法控制三相全桥里面六功率元件产生FOC算法中通基电压矢量进行组合运算均值更接目标电压矢量面进行程运算推导：
设三相电压UaUbUc
UatUmcosμUbtUmcosμ2π3UctUmcosμ+2π3 (36)
中μ 2πƒtUm相电压效值
化成复指数表达形式三相电压空间矢量进行相加空间矢量Ut
Ut23Uat+Ubtej2π3+Uctej4π3Umejμ (37)
（37）式子Ut运动轨迹似圆形角速度μ旋转空间矢量
321 SVPWM控制原理
驱动电路中三相全桥里面六功率器件组成方便研究相桥组合电压空间矢量变化面定义VX(ABC)电压空间矢量状态中X代表第状态ABC代表该状态三相桥开闭状态中值0桥导通
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1桥导通八状态V0(000)V1(001)V2(010)V3(011)V4(100)V5(101)V6(110)V7(111)种情况相状态表
表31相状态应幅值模
C
B
A
VA
VB
VC
Ut
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2Udc3
Udc3
Udc3
23(Udcej0)
0
1
0
Udc3
Udc3
2Udc3
23(Umejπ3)
0
1
1
Udc3
2Udc3
Udc3
23(Umej2π3)
1
0
0
2Udc3
Udc3
Udc3
23(Umejπ)
1
0
1
Udc3
Udc3
2Udc3
23(Umej4π3)
1
1
0
Udc3
2Udc3
Udc3
23(Umej5π3)
1
1
1
0
0
0
0
表中出非零矢量幅值模(2Udc3)
推导知果TS时间产生合成空间电压矢量假设合成空间电压矢量角速度ω2πf旋转周需T1f时间知旋转周时间分NTTS合成空间电压矢量中θs2πN表示均次增加角度
图31第扇区例子
°
该扇区推导例子图示电压空间量USV4夹角θs根正弦定理推出
UscosθsT4TsV4+T6TsV6cosπ3UssinθsT6TsV6sinπ3 (38)
V4V62Udc3
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T4qTssinπ3θsT6qTssinθs (39)
中q3UsUdcUdc供电源T0T7知(TsT4T6) 半
面式子状态需时间进行波形进行脉宽调制调制中减少开关次数避免必损耗次开闭状态变换时中相进行开闭V0V7V4V0V4V7开关次数时V4V0需开关中相V4V7增加开关次数造成必损耗
该例子知理推导电压空间矢量状态组成扇区样方法样根扇区安排开关序样避免必损耗表
表32根扇区切换开关序
分析知想确定三相电压波形首先电压空间矢量扇区出电压矢量作时长
322 SVPWM算法分析
文UαUβ出Us扇区根反三角函数进行
Vα3∙T∙UαVβT∙Uβ (310)
中TPWM周期三相电压UαUβ关系[15]
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UaVβUbVα+Vβ2UcVβVα2 (311)
推断出扇区分布情况表
表33扇区分布情况[17]
Ub<0
Ub≥0
Uc<0
Uc≥0
Uc<0
Uc≥0
Ua≤0
Ua>0
Ua≤0
Ua>0
扇区号
Ⅴ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅵ
Ⅰ
Ⅱ
方便计算继续利UαUβ简化运算程
tbta+UcSnⅠⅡⅣⅤtc+UaSnⅢⅥ (312)
taT+UaUc2SnⅠⅣT+UbUc2SnⅡⅤTUa+Ub2SnⅢⅥ (313)
tctbUaSnⅠⅣtaUbSnⅡⅤtaUcSnⅢⅥ (314)
知三相高电作时间面公式推算出样出电压矢量作时长
33 位置传感器算法
刷直流电机转子位置检测方法检测方法反电动势法状态观测法等[192021]中反电动势法实际较种检测方法[21]检测导通相反电动势零点延迟30°电角度序转子六关键位置信号[9]
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331 反电动势检测法
反电动势检测法实际反电动势零点刷直流电机运转时两相导通相导通隔60°进行换相导通持续工作120°电动势零时刻时延迟30°电角度换相时间样推导出反电动势
uaubucR000R000Riaibic+LM000LM000LMiaibicPiaibic+eaebec (315)
通化简相电压方程
uaRia+LM∂ia∂t+ea+unubRib+LM∂ib∂t+eb+unucRic+LM∂ic∂t+ec+un (316)
终相电压间关系推导出：
ex32ux12ua+ub+uc(317)
中x三相中A相B相C相
分析知反电动势零点通测量电机三相相电压者三相端电压控制换相[22]相较低转速检测反电动势准确性会降低
332龙伯格状态观测器
龙伯格状态观测器系统输入变量输出变量实际值出状态变量估计值重构系统状态状态观测系统龙伯格状态观测器两种实现方式通PLL模块通PID调整器进行调整信息[23]二通反正切方法转子位置信息转子速度转子位置角电机参数做状态变量进行系统构建里进行第二种实现方式算法推导
面分析知CLARK转化两相静止坐标系uαuβ
uαRia+∂ρa∂t(318)
uβRiβ+∂ρβ∂t(319)
中
ρaLia+sinθ*∅m(320)
ρβLiβ+cosθ*∅m(321)
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θpωt(322)
结合(320)(321)(322)代入(318) (119)
uαRia+L∂ia∂t+∅mpωcospωt(323)
uβRiβ+L∂iβ∂t+∅mpωsinpωt(324)
[24]
∂ia∂tRiaL∅mLpωcospωt+uαL(325)
∂iβ∂tRiβL∅mLpωcospωt+uβL(326)
设eαeβ[17]
eα∅mpωcospωt(327)
eβ∅mpωsinpωt(328)
根反正切函数
θarctaneβeα(329)
转子位置信息周期π实际2π进行处理[25]
ωeα2+eβ2∅mp(330)
333 高频注入法
针转子低速运行时转子位置信息转速估计准确情况美国学者提出高频注入方法该方法根电机凸极效应通定子绕组输入持续高频激励信号检测定子参数进行信号处理转子位置速度信息通电机凸极效应实现信息获取电机参变量变化获取信息作准确获转子位置转速信息
般说采高频注入法旋转高频电压注入法脉振高频电压注入法中灵活选择注入高频信号幅值频率估计转子位置信息非常重步
总说高频注入法相方法更准确获转子位置转速信息演算较复杂注入高频信号求较高里做详细推导
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4刷直流电机控制系统硬件台
面章介绍FOC传感器算法等算法原理控制系统软件硬件软件需硬件运行时硬件优劣会影响软件硬件构造性求非常必
41 整体硬件台
刷直流电机控制系统基STM32F401微处理器控板驱动板PC位机刷直流电动机电源等组成控板作系统控制信息处理重部分算法运行基础台驱动板包括功率驱动电路检测电流电路检测反电动势电路电流保护电路等PC位机通串口控板进行通信作控制检测电机运作状态电源选直流电源器整体硬件台结构图
图41整体硬件台结构图
411控板
控板包括MCU电路电源电路MCU电路选基ARM CortexM4处理器作控板控制中心电源电路外部电源供电压通稳压芯片稳压电压提供控板电压会系统工作更稳定
4111 MCU电路
控板MCU选STM32F401RE般工作40℃105℃温度范围该芯片工作频率高达84M赫兹拥256K字节闪存64K字节SRAM高达11定时器频率高达84M赫兹616位232位定时器IO端口中包括12位AD转换高达11通信接口中包括高达3IIC接口4SPI接口三USARTs[2627]等
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图42 控板电路[28]
4112 电源电路
稳定供电压控板正常运行保障
控板电源电路选型号LD1117S50TR低压差稳压器型号LD39050500毫安低静态电流低噪声电压稳压器里选择LD1117提供电压者通外部供电压然该供电压LD39050稳压输出33V供MCU
图43外部选择电源电路[28]
型号LD1117S50TR低压稳压器般工作0℃125℃温度范围输入电压高达15V该稳压器供高达800毫安输出电流里选固定输出电压5V
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图44 LD1117稳压器电路[28]
型号LD39050稳压器着超低压低静态电流低噪声优点供MCUMCU运行更稳定输入电压范围15V55V般工作40℃125℃温度范围该稳压器提供高达500毫安输出电流输出电压08V45V间里输出电压33V电压供MCU
图45 L39050稳压器电路[28]
412驱动板
驱动板包括功率驱动电路电流采样电路反电动势检测电路驱动板工作直流电压正常范围8V48V高达15A输出电流电流保护措施配置成闭环控制传感器控制传感器控制选择三采样单采样[29] L6398门驱动器STL220N6F7功率MOSFET组合刷直流电机形成高电流电源台
4121 功率驱动电路
驱动板包括功率驱动电路电流采样电路电源电路功率驱动电路基型号STL220N6F7拥低导通电阻功率N沟道260A 60VMOSFETL6398驱动器图
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图46功率驱动电路[29]
4122电流采样电路
电流采样电路系统稳定运行关键电流采样电路电流保护电路电流采样电路组成电流采样作般两第保护控制系统防止电流异常损坏第二反馈微处理器作MCU更控制电机运转
电流检测电路基TSV994IPT三采样电阻三采样电阻001欧姆 1W功率电阻图
图47电流检测电路[29]
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电流保护电路硬件检测电路实现采样电流MCU提供参考电流进行较然BKIN输出信息
图48电流保护电路[29]
4122反电动势检测电路
六步驱动模式三相中中相处高阻抗状态通相电压较中点引线电压检测反电动势零点图
图49反电动势检测电路[29]
413刷直流电机
采奔牛公司BR28041700Kv1型三相刷直流电动机该电机重量约23g电机电压111V空载电流06A空转约18000rpm负载电流56A负载转速约12540rpm常应航模等
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图410三相刷直流电机
5刷直流电机控制系统软件台
硬件台控制系统根基软件台控制系统核心控制系统性软件台决定意法半导体公司方便开发者开发提供相应固件库面阐述整体软件台FOC算法部分代码[17]
51整体软件台
该软件台组成模块通信模块算法模块电机控制模块等模块构造成图示该工程五源程序组组成Startup组初始化堆栈指针中断量表User组初始化中断处理配置HAL组标准库文件CMSIS组存放核文件MotorControl组电机控制程序算法
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图51 keil软件工程[17]
首先程序会进行电初始化分外设时钟GPIOADC串口终端电机控制进行初始化接会起动电机电机正常起动检测相电流相电流进行CLARK变换Iα Iβ 然进行PARK变换IdIqPARK变换完成会通电流PID调整器进行实际值目标值间调节输出相应电压UdUq反PARK变换Uα Uβ 输入SVPWM模块进调制作电机流程图
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图52 FOC运行流程图
511初始化
初始化程序包括系统资源初始化配置首先全部外设复位初始化时钟接着会分初始化配置GPIOADCDAC定时器串口然会进行电机模块初始化初始化中断中初始化包括变量函数电机控制系统参数配置程序
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[17]：
HAL_Init()
SystemClock_Config()
GPIO_Init()
ADC1_Init()
TIM1_Init()
USART2_UART_Init()
MotorControl_Init()
NVIC_Init()
512电机起动
第二章介绍电机启动算法知电机静止时候法检测该电机转子状态电机够正常起动通三段式起动法电机达稳定转速检测转子位置信息
三段式起动法般分三步骤预定位外步步
首先进行预定位转矩电流设0设励磁电流然进行预定位操作系列坐标变换进行SVPWM调制转子正常起动前预定位置程序[17]：
TAlign++
if(TAlign < TAligndura)
{
Flux_Reference ALIGNMAX_I * TAlign TAligndura
Torque_Reference 0
Curr_ab GET_PHASE_CURRENTS()
Curr_albe Clark_transform (Curr_ab)
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Curr_q_d Park_transform(Curr_albe ALIGNMENT_ANGLE)
output reference Vqs
Volt_q_duq PID_Regulator(Torque_ReferenceCurr_q_did &PID_Torque_InitStructure)
output referenceVds
Volt_q_dud PID_Regulator(Flux_ReferenceCurr_q_diq &PID_Flux_InitStructure)
RevPark_Circle_Limitation()normalization
Volt_alfa_beta Rev_Park_transform(Volt_q_d)
CALC_SVPWM(Volt_alfa_beta)
}
电机达预定位置时反电动势0法获换相信息接进行外步通定时间范围电流范围断升高电流频率果范围算法收敛起动成功否失败程序[17]：
Time ++
if (Time < I_STARTUP_PWM_STEPS)
{
Start_Up_Freq + hFreq_Inc
Start_Up_I + hI_Inc
}
else if (Time< FREQ_STARTUP_PWM_STEPS )
{
Start_Up_Freq + hFreq_Inc
}
else
{
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MCL_SetFault(START_UP_FAILURE)
Re_initialize Start Up
STO_StartUp_Init()
}
Add angle increment for rampup to FINAL_START_UP_SPEED
hAux Start_Up_Freq
hAngle (hAngle + (1(SAMPLING_FREQhAux)))
Curr_ab GET_PHASE_CURRENTS()
Curr_albe Clark_transform (Curr_ab)
Curr_q_d Park_transform(Curr_albe ALIGNMENT_ANGLE)
hAux Start_Up_I1024
Torque_Reference hAux
Flux_Reference 0
output reference Vqs
Volt_q_duq PID_Regulator(Torque_ReferenceCurr_q_did &PID_Torque_InitStructure)
output reference Vds
Volt_q_dud PID_Regulator(Flux_ReferenceCurr_q_diq&PID_Flux_InitStructure)
RevPark_Circle_Limitation()normalization
Volt_alfa_beta Rev_Park_transform(Volt_q_d)
CALC_SVPWM(Volt_alfa_beta)
STO_Calc_Rotor_Angle(Volt_alfa_betaCurr_albeMCL_Get_BusVolt())
Check for algorithm convergence
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if (IsObserverConverged()TRUE)
{
State RUN
}
电机成功起动外步切换步测定达固定转速时间判断否成功
513CLARK变换
文知CLARK变换求出Iα Iβ 该程序三相电流转换Iα Iβ 返回输出值程序[17]
ia_1dsqrt3_tmp 1divSQRT_3 * inputia
ib_1dsqrt3_tmp 1divSQRT_3 * inputib
beta_tmp1 ( ( ia_1dsqrt3_tmp ) ( ib_1dsqrt3_tmp ) ( ib_1dsqrt3_tmp ) )
beta_tmp2 beta_tmp1
outputbeta beta_tmp2
returnoutput
514 PARK变换
文知PARK变换求出IdIq该程序Iα Iβ 转换IdIq返回输出值程序[17]：
sin_cos1 Trig_functions(theta) returns cos and sin
Iq_tmp_1 inputalpha * sin_cos1cos
Iq_tmp_2 inputbeta *sin_cos1sin
Id_tmp_1 inputalpha * sin_cos1sin
Id_tmp_2 inputbeta * sin_cos1cos
Iq_1 Iq_tmp_1
Iq_2 Iq_tmp_2
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Id_1 Id_tmp_1
Id_2 Id_tmp_2
outputiq ((Iq_1)(Iq_2))
outputid ((Id_1)+(Id_2))
return (output)
515反PARK变换
文知反PARK变换求出Uα Uβ 该程序UdUq转换Uα Uβ 返回输出值程序[17]：
alpha_tmp1 inputuq * sin_cos1cos Uq*cosθ
alpha_tmp2 inputud * sin_cos1sin Ud*sinθ
alpha_1 alpha_tmp1
alpha_2 alpha_tmp2 UalphaUq*cosθ+ Ud*sinθ
beta_tmp1 inputuq * sin_cos1sin Uq*sinθ
beta_tmp2 inputud * sin_cos1cos Ud*cosθ
beta_1 beta_tmp1
beta_2 beta_tmp2
outputalpha ((alpha_1)+(alpha_2))
outputbeta (beta_2)(beta_1) UbetaUd*cosθ Uq*sinθ
return(output)
516检测电机绕组电阻
检测绕组电阻通设定电流取样数取均程序[17]：
lock() lock motor
const float current_avg m_samplesavg_current (float)m_samplessample_num
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constfloatvoltage_avg m_samplesavg_voltage (float)m_samplessample_num
un_lock() Stop
return (voltage_avg current_avg)
517SVPWM
里根第三章SVPWM算法解析进行程序应扇区判断计算相高电时间PWM模式中心齐相电压必须集中占空50程序[17]：
T_Sqrt3 T*Sqrt3
VAlpha Ualpha * T_Sqrt3
VBeta ( Vbeta * T)
X VBeta
Y ( VBeta + VAlpha ) 2
Z ( VBeta VAlpha ) 2
Sector calculation
if ( Y< 0 )
{
if ( Z< 0 )
{
Sector SECTOR_5
TPhA T 4 + ( ( Y Z ) 2)
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhA Y
}
else * Z> 0 *
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if ( X< 0 )
{
Sector SECTOR_4
TPhA T 4 + ( ( X Z ) 2 )
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhB X
lowDuty TPhC
midDuty TPhB
highDuty TPhA
}
else * X> 0 *
{
Sector SECTOR_3
TPhA T 4 + ( ( Y X ) 2)
TPhC TPhA Y
TPhB TPhC + X
lowDuty TPhB
midDuty TPhC
highDuty TPhA
}
}
else * Y> 0 *
{
if ( Z> 0 )
{
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Sector SECTOR_2
TPhA T 4 + ( ( Y Z ) 2 )
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhA Y
lowDuty TPhB
midDuty TPhA
highDuty TPhC
}
else * Z< 0 *
if ( X< 0 )
{
Sector SECTOR_6
TPhA T 4 + ( ( Y X ) 2 )
TPhC TPhA Y
TPhB TPhC + X
lowDuty TPhA
midDuty TPhC
highDuty TPhB
}
else * X> 0 *
{
Sector SECTOR_1
TPhA T 4 + ( ( X Z ) 2 )
TPhB TPhA + Z
TPhC TPhB X
广东东软学院科生毕业设计（文）
lowDuty TPhA
midDuty TPhB
highDuty TPhC
}
}
6测试结果
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介绍刷直流电机控制系统通测试控制系统进行评估首先进行测试测量电机参数结果第二通设定特定转速判断FOC算法运行否正确第三通改变电机参数控制系统电机运行状态意法半导体公司提供仅适电机控制微处理器MCU提供免费易电机控制库方便展示测试结果通助该软件台进行测试操作
61测量电机参数
首先进行通电连接电路检查电机开发板否异常接线否正确手动转动电机检查电机否异常然连接开发板电机接电源硬件连接检查误启动开发板开发板位机进行连接通讯进行检测电机参数
图示线圈电阻线圈电感等电机参数
图61动测量电机参数
62电机起动
首先通配置电机起动参数图示
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图62 设定速度
接观察电机转动状态电机起动成功成功获电机速度
63改变电机速度
通改变电机速度观察电机运作状态变化验证算法性通设定正转速度反转速度然设定速度0观察电机变化情况图示
图63 正反转速度设定
设定电机速度0图示
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图64设定速度零
观察时检测电机速度零图示
图65 测量速度零
64测试结果分析
面测试结果知刷直流电机运行速度波动稳定运行指定速度响应时间够快传统刷直流电机控制言传感器算法FOC算法结合运通软硬件台实验测试良测试结果表明两算法程度提升刷直流电机控制系统性外动测量电机参数更带更便利
总结展
广东东软学院科生毕业设计（文）
刷直流电机控制研究更控制科学年正处蓬勃发展时期应场景越越广泛现已形成完整控制算法体系包括方波正弦波形成
文利STM32F401开发板运FOC驱动控制板基础推导FOC控制算法疫情原设备齐全未真正操作展示更实验相信需工夫做进步研究
刷直流电机方面广泛应时根实际应需文研究需进步完善发展文开发刷直流电机觉存足需改进方
（1） 设备原设备较久久断会造成定损耗
（2） 疫情原某元器件零件时采购该应时制作成熟产品
（3） 关FOC控制算法改进文介绍范围未进行方面调查研究断完善
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参 考 文 献
[1] Jeddi N Amraoui L E Tadeo F Modelling and simulation of a BLDC motor speed control system for electric vehicles[J] International Journal of Electric & Hybrid Vehicles 2016 8(2)178
[2] 殷云华 郑宾 郑浩鑫 种基Matlab刷直流电机控制系统建模仿真方法[J] 系统仿真学报 2008 20(2)293298
[3] 李冬冬 潘海鹏 顾敏明 刷直流电机矢量控制策略实现[J] 机电工程 2017(3)
[4] 陈炜峰 赵伟 余莉 位置传感器刷直流电机矢量控制研究Research of Sensorless Brushless DC Motor Based on Field Orientation Control[J] 微电机 049(2)656877
[5] 周娟 刷直流电机磁场定控制（FOC）算法研究[D] 201714710
[6] 张相军 陈伯时 朱 et al Zerocrossing Algorithm and Phase Correction of BEMF in the Sensorless Control of Trapezoidal BLDC Motors直流刷电机位置传感器控制中反电动势零检测算法相位修正[J] 电气传动 2001 031(002)1416
[7] 程启明 杨龙 高杰 et al Speed Control System of Permanent Magnet Brushless DC Motor Based on Variable Parameter PID Controller基参数变PID控制器永磁刷直流电机转速控制系统[J] 电机控制应 044(1)182255
[8] 肖金凤 喻金 盛义发 et al 刷直流电机磁场定控制系统研究Study of Brushless Direct Current Motor Control System Based on Field Orientation Control[J] 电力电子技术 2012 046(011)103105
[9] 李成 刷直流电机位置传感器控制关键技术研究[D] 华中科技学 201014813
[10] 王正家 博 李涛 et al 基模糊适应PI刷直流电机调速系统研究Study on fuzzy adaptive PI based speed control system of brushless DC motor[J] 现代电子技术 2019 042(001)139142
[11] 蒋元广 施周 孙晓东 et al 电动车直流刷电机永磁结构分析Comparative Analysis of Different Permanent Magnetic Structures of Brushless DC Motor for Electric Vehicle[J] 电气传动 049(002)6165
[12] 牛海清谢运祥 刷直流电动机控制技术发展[J] 微电机(5)3638
[13] 张敬硕 刷直流电机位置传感器控制方法研究[D]2018810
[14] 夏长亮 方红伟 永磁刷直流电机控制[J] 电工技术学报 2012(03)3140
[15] 李强 位置传感器刷直流电动机运行理控制系统研究[D] 东南学 20058111520
[16] 易慧斌 位置传感器刷直流电机起动方法研究[D] 西南交通学 2012210
[17] STMicroelectronics STM32F PMSM singledual FOC SDK (UM1052) 2016
[18] Saber® Model Architect Tool User Guide Version D200912
[19] 张前 高速刷直流电机控制器开发关键技术研究[D] 2018612
广东东软学院科生毕业设计（文）
[20] 王晓远 傅涛 Position Sensorless Control of BLDC Motor Based on Global Fast Terminal Sliding Mode Observer基全局快速终端滑模观测器刷直流电机位置传感器控制[J] 电工技术学报 2017 032(011)164172
[21] 周勇 米彦昭 汪嘉瑶 et al 位置传感器刷直流电机位置检测启动控制研究Research on the Position Detection and Start Control for Sensorless Brushless DC Motor[J] 西北工业学学报 035(2)208212
[22] 朱高剑 基位置传感器刷直流电机控制系统研究[D] 西南交通学 2012914
[23] 陈卫兵 宗蔚 张凯泉 et al 基龙伯格观测器埋式永磁步电机位置控制算法A Sensorless Control Algorithm for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Luenberger Observer[J] 湖南工业学学报 2016 030(002)2125
[24] 张凯泉 基龙伯格观测器法永磁步电机感矢量控制算法改进研究[D]1722
[25] 周双飞 黄海波 简炜 Research on Application of Luenberger Observer in Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous MotorLuenberger观测器永磁步电机传感器控制中应研究[J] 电机控制应 044(10)596266
[26] STMicroelectronics STM32F40X Datasheet (DS9716) 2019
[27] STMicroelectronics STM32F40X Reference Manuals (RM0368) 2018
[28] STMicroelectronics STM32 Nucleo64 Board User Manual (UM1724) 2016
[29] STMicroelectronics XNUCLEOIHM08M1 Board User Manual (UM1996) 2017
[30] STMicroelectronics STM32 motor control SDK v52 tools User Manual (UM2380)
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