CN206060600U - 基于stm32的电动车用无刷直流电机调速装置 - Google Patents

Abstract

一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：包括主控制电路，主控制电路连接驱动电路，驱动电路和整流电路分别与逆变电路相连，逆变电路连接电流检测电路，电流检测电路连接主控制电路；逆变电路连接转子位置检测电路，转子位置检测电路与位置传感器电路相连；位置传感器电路与主控制电路相连；上位机、键盘、预留接口电路分别连接主控制电路。本实用新型的有益效果是：实现了无刷直流电机运行的平稳控制，使调速系统的硬件电路设计得到了简化；实现了转速‑电流的双闭环控制；简化了控制电路，降低了应用成本，增强了控制系统的灵活性。同时，系统设计预留接口，便于系统的扩展，增强了适应性。

Description

基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置

技术领域

本实用新型涉及机电控制技术领域，尤其涉及一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置。

背景技术

步入二十一世纪，是呼唤绿色环保的时代，环境保护和能源问题成为最突出的两大主题。随着工业的飞速发展，人民生活水平的提高，汽车的使用越来越普及，石油资源严重匮乏。从环境保护角度讲，石油的使用造成的大气污染不断加重。石油燃烧产生的二氧化碳造成的温室效应破坏了大自然的生态平衡，对生态环境造成严重影响。在当前工业面临能源问题和环境问题的巨大挑战的现状下，发展清洁能源，实现能源动力系统的电气化，推动传统产业的战略转型，已经成为当前发展的目标。目前，我国已出台许多优惠政策，扶持并引导电动车行业的快速健康发展。电动车的发展进入关键时期，机遇与挑战并存。

无刷直流电机(Brushless DC Motor, BLDCM)在采用电子换向技术取代了有刷直流电机的机械电刷和机械换向，有效克服了电刷带来的机械摩擦噪声、电火花无线干扰及维修困难等问题，使得直流无刷电机得到了长足的发展。该类电机在电动自行车、电动助力车及电动汽车中得到了广泛应用和快速发展。目前电动车用的调速装置存在结构复杂、应用成本高的问题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种结构简单、应用成本低的电动车用无刷直流电机调速装置。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置包括：包括主控制电路，主控制电路连接驱动电路，驱动电路和整流电路分别与逆变电路相连，逆变电路连接电流检测电路，电流检测电路连接主控制电路；逆变电路连接转子位置检测电路，转子位置检测电路与位置传感器电路相连；位置传感器电路与主控制电路相连；上位机、键盘、预留接口电路分别连接主控制电路。

驱动电路的输入端与主控制电路的PWM模块相连，驱动电路的输出端与逆变电路的输入端连接；逆变电路的输入端连接整流电路，逆变电路的第一输出端与转子位置检测电路的输入端连接，逆变电路的第二输出端与电流检测电路连接；转子位置检测电路的输出端接位置传感器电路，位置传感器电路连接主控制电路的外部中断接口；电流检测电路的输出端与主控制电路的ADC模块连接；键盘连接主控制电路的通用I/O接口；预留接口电路与主控制电路的CAN总线接口相连；主控制电路的RS-232接口连接上位机。

所述的位置检测电路由电机内部三路霍尔传感器构成，其输出信号经过位置传感器电路分别接入主控制电路的外部中断接口，主控制电路响应中断，得到电机转子的位置信息，并计算其转速，电流检测电路接主控制电路的ADC模块，将采集到的电流信息传递给主控制电路。主控制电路综合位置信息、速度信息、以及电流信息，由PWM模块输出6路信号给驱动电路，驱动逆变电路，达到电机的启动、停止、转向、转速及安全运行的控制策略。

本实用新型的有益效果是：本实用新型实现了无刷直流电机运行的平稳控制，使调速系统的硬件电路设计得到了简化；本实用新型设计了转速和电流两个调节器，实现了转速-电流的双闭环控制；简化了控制电路，降低了应用成本，增强了控制系统的灵活性，提高了数据处理能力。同时，系统设计预留接口，便于系统的扩展，增强了适应性。

附图说明

图1 本实用新型的结构框图。

图2 为图1中主控制电路的原理图。

图3 无刷直流电机功率逆变电路。

图4 基于IR21366的驱动和过流保护电路。

图5 BLDCM转子位置检测电路。

图6 为图1中RS232接口电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如附图1，所示的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，包括：包括主控制电路，主控制电路连接驱动电路，驱动电路和整流电路分别与逆变电路相连，逆变电路连接电流检测电路，电流检测电路连接主控制电路；逆变电路连接转子位置检测电路，转子位置检测电路与位置传感器电路相连；位置传感器电路与主控制电路相连；上位机、键盘、预留接口电路分别连接主控制电路。

驱动电路的输入端与主控制电路的PWM模块相连，驱动电路的输出端与逆变电路的输入端连接；逆变电路的输入端连接整流电路，逆变电路的第一输出端与转子位置检测电路的输入端连接，逆变电路的第二输出端与电流检测电路连接；转子位置检测电路的输出端接位置传感器电路，位置传感器电路连接主控制电路的外部中断接口；电流检测电路的输出端与主控制电路的ADC模块连接；键盘连接主控制电路的通用I/O接口；预留接口电路与主控制电路的CAN总线接口相连；主控制电路的RS-232接口连接上位机。

本实用新型的工作过程是：电机内部三路霍尔传感器构成转子磁极位置检测电路，其输出信号经过位置传感器电路接入微控制器的外部中断接口，微控制器响应中断，得到电机转子的位置信息，并计算其转速，利用主控制电路的ADC接口采集系统电流。主控制电路综合位置信息、速度信息、以及电流信息，由PWM模块输出6路信号给驱动器，驱动逆变电路，达到电机的启动、停止、转向、转速及安全运行的控制策略。采用微控制器的串行通信模块与上位机通信，将相应信息在计算机上分析和显示，便于系统升级和协同控制。

如附图2所示，主控制电路包括：STM32F103C8T6单片机和与其连接的复位电路、8MHz晶振电路、电源电路、USB转串口程序下载接口电路、LED工作指示电路、蜂鸣器电路及扩展接口。复位电路由SA1、RA1、CA5组成，可以手动按下SA1按键使系统复位；8MHz晶振电路由YA2、CA3和CA4构成，为系统提供主时钟； USB接口有两个作用，一是提供电源接口，二是提高程序下载调试。USB接口电源，通过开关SW1连接到电压转换芯片LM1117输入端，将+5V电压转换成+3.3V电压，为STM32F103C8T6处理器供电；USB转串口程序下载接口电路采用USB转串口芯片CH340G，将USB信号转换为STM32F103C8T6处理器的串口通信信号，完成程序下载和系统调试；DA1为LED灯，用于装置工作指示，装置正常工作时亮，装置故障时闪烁；DA2为系统电源指示灯，系统已接通电源，该灯亮起。蜂鸣器电路由BUZZ、RA3和QA1组成，装置故障时，发出报警，该电路受控于STM32F103C8T6的PB11端口。STM32F103C8T6的PB4～PB9端口配置为脉宽调制功能，为IR21366驱动电路提供PWM信号；PB0、PB1、PB3和PA4配置为外部中断功能，作为BLDCM转子位置检测信号的输入引脚；PA5～PA8配置为通用I/O口，外接4个独立按键K1～K4，用于设定初始信息；PA11～PA15通过接口JA1引出，可以配置为CAN总线接口，也可配置为通用I/O口，用作装置预留接口，便于系统升级和维护。

如附图3所示，逆变电路包括6个IR640N功率开关管，与电机的A相、B相、C相相连，IR640N为MOSFET型功率管；IR_PWM1～IR_PWM6是来自于驱动电路输出的PWM信号；HS1～HS3是电机内部三路霍尔传感器输出信号；IR_COM为逆变电路电流输出公共端。VT1、VT2 和VT3为上桥臂功率管，VT4、VT5 和VT6为下桥臂功率管，上桥臂功率管工作在PWM状态，下桥臂功率管工作在直通状态。它们之间相互配合导通或截止，实现电机定子3相绕组电流换相，从而实现了定子电枢绕组在空间合成磁场的旋转，完成电机永磁体转子的转动。

如附图4所示，基于IR21366的驱动电路，IR21366将来自微控制器的6路PWM1～PWM6信号放大，输出6路具有驱动能力的信号IR_PWM1～IR_PWM6，使其分别控制逆变电路中的6个MOSFET功率管。IR_COM是逆变电路电流输出公共端，一路与IR21366的COM端口相连，构成逆变回路，另一路通过R10和R17构成的电流采样电路，通过由LM358构成的两级放大电路，放大后分别送入微控制器的ADC端口和IR21366的ITRIP引脚。送入微控制器的ADC端口的信号经过A/D转换后，得到系统电流信息。ITRIP为IR21366的过流关断信号输入端，该端口电压达到阈值电压时，IR21366关断所有逻辑输出，此时FAULT引脚输出低电平，并通过光电耦合器TLP621接至微控制器的外部中断口，通过端口号INT0实现连接，引发过流中断保护。

如附图5所示，转子位置检测电路，R18、R19和R20构成上拉电路，确保霍尔传感器正常输出高低电平，R21、R22、R23、C8、C9、C10组成滤波电路，滤除系统产生的高频干扰，3路信号分别通过光电耦合器TLP621隔离，再经过74HC08的进一步处理，变换成与微控制器STM32F103C8T6相兼容的信号。在BLDCM中，转子位置检测电路至关重要，一方面通过检测电机定子和转子的相对位置信息，为逆变电路提供恰当的换向时刻，以减小转矩的波动；另一方面通过对其中一路位置检测器产生的脉冲信号计数，可以计算电机转速。BLDCM带有3个在空间上相差120°角分布的霍尔传感器，随着电机的转动，每一个霍尔传感器都输出一个脉宽为180°电角度的方波信号，3个传感器输出的方波信号互有120°电角度相位差。

如附图6所示的RS232接口电路，主控制电路借助串行接口与上位机进行信息交互，并通过RS232接口电路实现由TTL电平到RS232电平转换。该接口电路采用MAX232电平转换芯片，这里用到微控制器STM32F103C8T6的串行通信口RXD2、TXD2，通过端口DB9与上位机通信。

本实用新型以嵌入式技术和电机控制技术相结合，以嵌入式微处理器为控制核心，设计了基于STM32F103C8T6控制器和IR21366功率驱动芯片的无刷直流电机的调速控制装置，根据无刷直流电机转速控制的特点，设计了转速和电流两个调节器，该装置可靠、响应速度快，达到了较好的控制效果。与传统调速装置相比，该装置结构简单、应用成本较低、使用方便、便于升级换代等优点，满足更多应用场合的需要。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：包括主控制电路，主控制电路连接驱动电路，驱动电路和整流电路分别与逆变电路相连，逆变电路连接电流检测电路，电流检测电路连接主控制电路；逆变电路连接转子位置检测电路，转子位置检测电路与位置传感器电路相连；位置传感器电路与主控制电路相连；上位机、键盘、预留接口电路分别连接主控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述的主控制电路包括STM32控制器以及与控制器连接的复位电路、电源接口电路、晶振电路、USB转串口接口电路、LED工作指示电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述主控制电路采用STM32F103C8T6单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述逆变电路是有6个IR640N功率开关管组成的三相全桥逆变电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述驱动电路采用三相逆变驱动集成芯片IR21366构成。

6.根据权利要求5所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述逆变驱动集成芯片IR21366与电流采样电路连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述转子位置检测电路包括三组并联的支路，每个支路包括依次串联的电阻、光电耦合器和74HC08芯片。

8.根据权利要求7所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述转子位置检测电路光电隔离采用光电耦合器TLP621芯片实现。

9.根据权利要求8所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述转子位置检测电路光电隔离信号经过数字74HC08芯片处理，实现与STM32接口相兼容。

10.根据权利要求1所述的一种基于STM32的电动车用无刷直流电机调速装置，其特征在于：所述装置与上位机连接的RS232接口电路采用MAXA232。