采用STM8S的无刷直流电机控制系统的设计

摘要：根据无刷直流电机控制系统的特点，提出了基于STM8S处理器的无刷直流电动机控制系统。设计并实现了该控制系统的硬件电路，通过软件编程完成对转子位置的快速检测及电机调速。实验显示该系统的设计成本较低，运行平稳，调速性能良好。

　　引言

STM8S系列处理器，是意法半导体(ST)公司推出的超高性价比的8位单片机，具有高性能的架构、优异的抗干扰设计、灵活的低功耗模式和丰富的内嵌功能。该系列单片机采用意法半导体的自有内核，最高工作频率为24MHz，最高处理效能可达20MIPS。另外，STM8S资源丰富，具有10bit的ADC，16bit的高级控制定时器，看门狗电路等。其中高级定时器具有4个捕获/比较通道，3个互补输出，死区控制，非常适合电机的控制。

无刷直流电机是现在最常用的无刷电机。它具有低损耗、低噪声、结构简单、易控制、转速高、寿命长等特点，因此，被广泛应用于现代工业控制等领域。

本文提出了基于STM8S的无刷直流电机控制系统，利用单片机内部的定时器产生的PWM来控制电机的转动和调速，可以应用在一些要求不高和对成本比较敏感的领域。

系统工作原理

无刷直流电机的控制

无刷直流电机一般有永磁转子和三相定子组成，通过反向极性的吸引产生相矩来使电机转动。为了获得最大力矩，需使定子磁场和转子磁场之间的相角度近似为正交的。控制无刷电机转动，首先需要判断转子的当前位置，然后根据该位置改变电枢绕组的通电相序，使其在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子转动。

本设计使用霍尔传感器来测量转子相对于定子线圈的位置信息。位置信号由3个霍尔传感器得到，每个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号，而3个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。它们在每个机械转中会产生6个上升沿或者下降沿，对应着6个换相时刻。把单片机的I/O口设置为双边沿外部中断捕获功能，即可获得这6个换相时刻。再根据3个霍尔传感器的电平状态，即可获得转子准确的位置信息。然后根据位置信息，进行换相，从而带动电机的转动。

图1为三相桥电机驱动结构图，表1则显示了霍尔传感器输出电平与换相之间的对应关系。　　

 

速度的控制

电动机的速度和扭矩取决于带电绕组的电机所产生的磁场强度，而磁场强度又取决于通过的电流大小。因此，调整转子的电压或电流将改变电机转速。

本设计通过改变加在电机上的电压来改变电机的转速。由于单片机可以输出脉宽可调的PWM波，因此，使用PWM输出来控制6个开关管的状态，并通过改变PWM波的占空比来调整电机的电压。