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　　摘要：本文介紹一種基于ST72141電機控制芯片的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，簡述了其自有的反電動勢檢測原理及實現該系統(tǒng)控制的硬件設計和軟件設計。
　　
　　1、引言
　　
　　無刷直流電動機由于轉子采用永磁材料勵磁，無勵磁損耗，具有體積小、重量輕、結構簡單、維護方便、運行可靠、節(jié)能易于控制等優(yōu)點，同時，無刷直流電動機是利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器,因此,無刷直流電動機保留了普通直流電動機優(yōu)良的
　　
　　機械特性，從而在軍民各個領域得到了廣泛應用。
　　
　　無刷直流電動機是伴隨著數字控制技術而產生和發(fā)展起來的,因此,采用單片機為主的
　　
　　數字控制是無刷直流電動機的主要控制手段之一。本文介紹一種ST72141電機控制芯片,可實現無轉子位置傳感器無刷直流電動機的控制,無需霍爾傳感器,只需通過三個電阻將電機的三相繞組直接與ST7214芯片的輸入接口相連即可得到電機轉子的位置信息,簡化了系統(tǒng)結構及控制策略,降低了系統(tǒng)成本,具有結構簡單可靠、易于實現等特點。
　　
　　2、原理
　　
　　無刷直流電動機在運行時,需要轉子的位置信號,以控制逆變器中功率管的換流,從而實現定子磁場與轉子的同步運行。多數無刷直流電機都是靠位置傳感器來實現轉子位置的檢測,這些傳感器不僅增加了成本,使系統(tǒng)連接更加復雜,而且,由于傳感器本身存在的缺陷,如精
　　
　　度不夠,對環(huán)境條件敏感,使得整個系統(tǒng)的可靠性得不到保證。
　　
　　常采用的無位置傳感器控制策略是傳統(tǒng)的反電動勢過零檢測法（端電壓檢測和相電壓檢測）,由于傳統(tǒng)的反電動勢過零檢測法需要進行分壓和濾波。分壓則降低了低速運行時過零信號檢測的敏感度，特別是在反電動勢信號較弱的起動過程；濾波則導致過零信號相移，隨著轉速的提高，其相移量也增大，這種相移的變化增加了高速時換相控制實現的復雜程度。
　　
　　本文將介紹ST72141芯片自有的反電動勢檢測技術——直接檢測反電動勢法。直接檢測反電動勢檢測是采用上管PWM、下管恒通的調制方式，在PWM斬波期間直接檢測出反電動勢的?，F對這直接檢測反電動勢法作一簡要分析：主電路原理圖如圖1所示，A相和B相導通，C相懸浮，電流流過VT1和VT6管，當VT1關斷時，二極管D4續(xù)流，由于C相上無電流流過，故C相端電壓CV即為C相反電動勢電壓。
　　
　　由上面分析可知，在A相VT1PWM關斷時，二極管D4續(xù)流，C相端電壓對應比例于C相反電動勢，且是以地為基準的。由ST72141芯片特殊的內部結構，通過三個電阻將電機的三相繞組直接與ST72141芯片的輸入引腳（MCIA、MCIB和MCIC）相連即可得到反電動勢過零信號，此時，得到的反電動勢過零信號沒有經過任何衰減和相移，因此，反饋信號具有高信躁比，同時，工作頻率范圍無論在低速還是高速都得到了擴展，當然，系統(tǒng)的成本也得到了降低。
　　
　　3、硬件結構
　　
　　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。它的主要資源及特點包括：8位中央處理內核，支持增強指令集；256字節(jié)的RAM內存，8K字節(jié)的ROM；14路復用I/O口；兩個16位定時器，一個看門狗定時器；SPI接口；8位模擬數字轉換輸入；外部晶振為8/16MHz，內分頻為4/8MHz；電機控制外設（六路PWM輸出、8位硬件乘法器、三路檢測轉子位置模擬輸入、兩片上模擬比較器）。
　　
　　ST72141對無位置傳感器無刷直流電動機的驅動主要由片內集成的電機控制外設（MTC）來完成。ST72141的電機控制外設由去磁結束和反電動勢過零點的檢測電路、延遲管理器、PWM管理器（需要PWM信號來驅動電機）和通道選擇管理器等四部分組成。
　　
　　圖2給出了由ST72141芯片組成的控制系統(tǒng)電路結構圖。該系統(tǒng)可工作于電壓模式或電流模式。ST72141芯片提供兩種工作模式：電壓模式和電流模式。在電流模式下，通過改變電機的參考電流而改變力矩的大?。睾碗娏鞒烧龋?，電流的控制是通過PWM來調整的。在電壓模式下，通過改變電機的參考電壓來改變速度，同時，可設置電流的zui大值，即力矩可達到的zui大值。電壓的控制也是通過改變PWM的占空比來實現的。
　　
　　功率電路部分采用典型的交-直-交電壓型功率變換器結構。由單相工頻電壓經全波整流為二倍頻的直流脈動電壓，后接平滑濾波電容進行濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，然后，經三相逆變橋（IPM模塊）逆變?yōu)槿嘟涣麟妷?，以驅動無刷直流電動機。功率電路的核心部分是逆變，實現逆變的PWM脈沖驅動信號是由ST72141芯片控制完成的。
　　
　　IPM智能功率模塊具有許多優(yōu)點。它不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起,而且內含過電流保護電路（OC）、短路保護電路（SC）、驅動電源欠壓保護電路（UV）、過熱保護電路（OH）及報警輸出電路（ALM），向外部輸出故障報警，當OH及OC、UV保護動作時，IPM模塊通過/MCES引腳向ST72141芯片輸入異常信號，能停止系統(tǒng)工作，能切實地起到保護控制系統(tǒng)。
　　
　　由于在無傳感器模式下是通過檢測反電動勢過零點確定轉子位置的,當轉子靜止或轉速較低時,反電動勢信號為零或幅值太小而無法被MTC檢測,因此必須采用一種特殊的起動方式來起動電機。具體地,首先通過給電樞繞組通一定的電流信號使轉子自動轉到特定、已知的位置,這個過程稱之為轉子預定位;當轉子到達預定的位置時,施加連續(xù)逐漸增加的步長時間和電流給電機，使電機加速，在電機加速過程中檢測到數量的連續(xù)過零事件之后，電機便自動切換至自控同步運行方式。整個啟動過程是通過軟件編程來控制的。
　　
　　4、軟件設計
　　
　　軟件設計是系統(tǒng)設計的重要組成部分，它和MCU一起共同構成控制部分的核心，幾乎完成所有功能的控制。本系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務子程序組成。
　　
　　4.1主程序
　　
　　主程序主要包括初始化部分和循環(huán)主體部分,如圖3所示。其中，初始化部分包括系統(tǒng)資源初始化、各變量初始化；主程序循環(huán)主體部分主要包括A/D采樣、加減速率計算等。
　　
　　4.2中斷服務子程序
　　
　　中斷服務子程序主要包括電壓過零中斷（Z）、換相中斷（C）、串行中斷等。
　　
　　串行中斷程序是用來與上位機進行通信的。
　　
　　換相中斷程序包括四個不同事件的處理，他控異步處理子程序；他控異步末拍處理子程序；自控同步首拍處理子程序；自控同步處理子程序。其流程圖如圖4所示。
　　
　　電壓過零中斷程序主要是用來判定電機何時進入自同步運行，而在系統(tǒng)進入自同步運行階段后，過零中斷程序中不進行任何操作，直接返回主程序。
　　
　　5、結語
　　
　　ST72141芯片是一種專門用于無刷直流電動機驅動的單片機,片內集成專門用于電機控制的片內外設，可在帶限流的調壓模式或直接調節(jié)電流的電流模式（直接轉矩控制）下工作。利用ST72141電機控制芯片構成的無刷直流電動機控制系統(tǒng)，具有線路簡單、控制方便、完善的保護功能，同時，它的成本低、可靠性較高、實用性強，因此，具有較好的應用價值。