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摘要
本工作的目的是设计和实现一种嵌入式霍尔传感器的无刷直流电动机驱动监控系统。所实现的系统由控制电子板、动力驱动板和无刷直流电机三个主要模块组成。第一个模块是基于STM32核心开发板与第二个模块(集成了L6230 IC驱动器的ST-X-Nucleo-IHM07M1电机驱动扩展板)组装而成。所使用的无刷直流电机为Nanotec提供的DF45M024053-A2型。固件,操作需要适当控制电动机,是在手臂mb开发环境,开发工具可以在云允许发送。bin文件(固件后获得编译)直接STM32开发板,从操作系统认为,一旦通过USB连接到电脑,只是作为外部内存。通过USB连接STM32板的PC机，用户可以选择电机的旋转方向，设置所需的rpm值，通过改变板上的电位计值，改变转速。此外，在电机运行过程中进行不同的控制，如PWM占空比值(如果等于100%，则断开电源)、L6230 IC驱动器温度值和电机旋转控制;在后一种情况下，如果无刷直流电动机失速超过3秒，则电源将被中断，以保护电机/系统的完整性。
关键词:电子控制系统，无刷直流电动机，驱动板，固件编程。
绪论
政府立法制定的经济限制和新标准对电力系统提出了越来越严格的要求。新一代设备必须有更高的性能参数，如更好的效率和减少电磁干扰。此外，绿色环保电子产品的使用大大发展，以节省各种设备的能源消耗。所有这些改进都必须实现，但同时也必须降低系统成本和电力消耗。无刷电机技术使这些规格成为可能;与拉丝电机相比，这种电机可靠性高、效率高、功耗低、维护成本低。
无刷直流电动机又称永磁无刷直流电动机(PMBLDC)，由于其体积小、可控性好、结构简单等特点，被广泛应用于工业和民用领域。在这种类型的电机中，用于拉丝直流电动机的机械开关被适当地由电子电路驱动的电子开关所取代;这一特性使电机本身的可靠性和效率得到提高，并具有较长的工作寿命(由于没有电刷侵蚀)。无刷直流电动机的另一个优点是，由于无刷直流电动机没有电刷，所以在功率相同的情况下，对于相同的电机转矩和电源电压值，可以用更小的尺寸制造电刷，因此更适合体积和重量较小的应用。广泛部署无刷直流电机的主要限制是需要复杂的电子控制，包括位置传感器，用于电机管理。支持无刷直流电动机所需的开发时间和相关成本可能会阻碍制造商放弃他们已经习惯的交流电机。然而，对于越来越多的制造商来说，采用无刷直流电动机所带来的更高的复杂性带来的好处不仅仅是对能够节约电力消耗的产品需求的增加。
无刷直流电机主要以正弦或梯形反电动势(BEMF)信号为特征，是转子磁体与绕组磁场之间发生相对运动时产生的反电动势电压。本工作中使用的梯形反电动势和矩形定子电流电机具有机械力矩恒定(假设电机为纯梯形反电动势，定子相位换相准确)、机械功率密度非常高等优点，因此得到了广泛的应用。无论如何，无刷直流电机是由运动部件上的永磁体(即转子)和固定部分(即定子)的绕组;通电的定子绕组产生磁极，转子(相当于条形磁铁)被通电的定子相吸引。通过采用合适的顺序提供定子相位，在定子上建立并维持一个旋转场。转子对定子电磁铁极的追逐作用是同步永磁电机的基本作用。转子与旋转场之间的引线必须加以控制才能产生转矩，而这种同步意味着对转子位置的精确了解。因此，三个霍尔传感器通过测量磁场的变化来非常精确地检测转子的方向和速度。无刷直流电机控制可采用传感器或无传感器方式;无传感器无刷直流电动机控制的优点是省去了传感部分，从而降低了整体成本，缺点是对控制算法要求较高，电子学比较复杂。在这项工作中，一个由霍尔传感器嵌入提供的无刷直流电动机控制已经通过正确编程的开发电子板实现，如图1所示，这使得实现成本非常低。
图1
无刷直流电动机需要专用的电子控制装置才能正常工作。用于驱动相位换向的微控制器，必须通过处理放置在定子上的霍尔传感器的输出信号，正确地按顺序输入不同的电机相位。通过实现该目的的ST X-Nucleo-IHM07M1电机驱动板，可以使用专用固件编写微控制器程序来控制无刷直流电动机，无论是无传感器的还是装有霍尔传感器的。本研究利用面向对象编程(C ）用这种方式实现STM32核心开发板的固件需要控制和驱动任何装有霍尔效应传感器的无刷直流电机。
二、无刷电机在许多工业领域的应用
无刷直流电动机是近年来迅速流行起来的电机类型之一。它们用于电脑、硬盘驱动器和CD/DVD播放机等设备，用于无绳电动工具，在这些工具中，电机效率的提高导致电池需要充电之前使用的时间更长;此外，电子设备中的小型冷却风扇完全由无刷直流电机供电。除此之外，它们还应用于许多工业应用，如家用电器、汽车、航空航天、消费、医疗、工业自动化设备和仪器仪表。特别是运输电动汽车和混合动力汽车(如scooter、vectrix max -scooter、bicycle)采用了许多无刷直流电动机。
图2 汽车工业:采用全无刷直流电机
在工业工程中，无刷直流电动机用于定位或驱动系统、运动控制(如泵、fun或主轴驱动器)、可调或变速应用以及自动化遥控系统中。此外，由于暖通空调和制冷行业的发展趋势，与交流电机相比，无刷直流电机的功耗更低。综上所述，现代空调、家用电器、工具、电动自行车、无人机(由于重量低于其他电机类型)使用的是无刷直流电动机(图3)。
另一个最重要的应用领域是医疗保健;治疗睡眠呼吸暂停需要使用正压通气(PAP)呼吸器。病人使用一个特殊的呼吸面罩连接到PAP呼吸器。呼吸器内的鼓风机给面罩内的空气加压，产生正的气道压力，帮助患者在睡眠时呼吸。鼓风机必须根据病人的呼吸模式提高或降低病人的气道压力。
图3
当病人吸气时，鼓风机必须加快速度，以便为肺部提供更大的空气量。当病人呼气时，鼓风机减速以减少空气量，让病人呼出。无刷直流电动机和驱动器是风机理想的动力源:电机永远不需要低于驱动器的最低阈值速度运行，也不存在负载突然变化的风险。
无刷直流电机的另一个优点是安静;用于医院设备或病人护理设施的电动机必须保持安静，以符合低噪音标准。睡眠呼吸暂停设备的马达运行速度很高，但必须符合更低的噪音水平标准，因为设备在病人家里的卧室里。因此，无刷直流电动机中没有换向器和电刷就消除了电机噪声的另一个来源。
图4
随着无刷直流电动机的不断发展和成本的降低，无刷直流电动机将继续出现在医疗应用领域。医学分析仪是多功能的用于检测人体体液，如血液和尿液的机器。在医疗分析仪中，流体样品从一个站运送到另一个站进行各种测试。电机驱动解决方案包括步进电机驱动、直流电机驱动和无刷电机驱动。
图5
三、实现系统的功能模块
设计电子系统由三个主要功能模块:STM32其核心- 64针、低成本和易于使用的开发平台快速评估和启动一个系统设计在LQFP64 STM32单片机包,X-Nucleo - IHM07M1是三相无刷直流电机驱动程序扩展板基于L6230 IC驱动和无刷直流电机模型Nanotec DF45M024053-A2与霍尔效应传感器嵌入。接下来，对刚刚提到的三个系统部分进行了详细的说明。
STM32-Nucleo - 64引脚开发板
STM32核心板(如图6所示)为用户提供了一个负担得起且灵活的工具，用户可以使用STM32微控制器从各种性能、功耗和特性的组合中进行选择，从而尝试新的想法并构建原型。STM32 Nucleo board为STM Morpho扩展引脚头提供了扩展资源，以完全访问STM32 I/O引脚，并为Arduino Uno修订版3连接。开发板提供了ST-LINK/V2，一个带JTAG/serial wire debugging (SWD)接口的在线调试器和程序员(在图6中突出显示)。
STM Morpho extension pin headers
STM32 Microcontroller in LQFP64 package
ST-LINK/V2 in-circuit debugger and programmer
图6
主板可由主机PC通过USB数据线(5V)供电，外部VIN (7V lt; VIN lt; 12V)供电，Arduino或ST Morpho连接器供电电压(视跳线位置而定)为5V或3.3V供电;在3.3V供电电压下，ST- LINK不通电，无法进行编程和调试。当核心和扩展板的电流消耗超过USB上允许的电流时，可以使用外部电源。在这种情况下，仍然可以使用USB进行通信，只用于编程或调试。在图7中，给出了STM32核心板的硬件框图和嵌入式单片机的硬件框图。如图7所示，机上有两个按键B1用户和B2复位，不同的led(用于USB通讯，电源led和用户led)。此外，该STM32核酸板被分为两个电路部分:ST-LINK和目标单片机部分。PCB的ST-LINK部分可以切割掉，减小电路板尺寸。在这种情况下，剩余的MCU部分只能通过外部VIN使用STM Morpho连接器或Arduino连接器供电。
本研究采用STM32F302R8T6单片机作为平台模型核心- f302r8。STM32F302R8T6单片机属于STM32F302x6/8系列，基于高性能ARMreg;Cortexreg;-M4 32位RISC核心，工作频率高达72mhz，嵌入浮点单元(FPU)。ARMreg;Cortexreg;-M4处理器的开发是为了提供一个低成本的平台，以满足MCU实现的需要，具有更低的pin数和低功耗，同时提供出色的计算性能和对中断的高级响应。
(b)
(a)
STM32F302R8T6微控制器集成了高速嵌入式存储器、广泛的增强型I/O引脚和连接到两个高级外围总线(APB)的外围设备。该设备提供一个快速12位ADC，三个比较器，一个运算放大器，多达18个电容感应通道，一个DAC通道，一个低功耗实时时钟(RTC)，一个通用32位计时器，一个专门用于电机控制的计时器和一个驱动DAC的计时器。微控制器还提供标准和先进的通信接口:I2C, USART, SPI与多路复用全双工集成语音(I2S)接口，USB FS设备，一个CAN和红外发射器。STM32F302R8T6单片机工作在-40℃~ 105℃温度范围内，电源为2V ~ 3.6V。一套全面的节能模式允许设计低功耗的应用程序。
图9为STM32核心板各主块之间的电气连接;突出显示扩展连接器、调试器/程序员部分和微控制器。
ST-LINK/V2 in-
circuit debugger/ programmer section
STM32F302R8T6
microcontroller
为了连接拓展板以正确驱动无刷直流电机，使用了图10中蓝色突出显示的STMicroelectronics Morpho连接器。STM词素连接器包含在外部引脚头(CN7和CN10)中，可以在板的两侧访问。它们可用于将STM32核心板连接到位于STM32核心板顶部或底部一侧的扩展板或原型/包装板。MCU的所有信号和电源插脚都可在STM词素连接器上使用。这种连接器也可以用示波器、逻辑分析仪或电压表来探测。
ST-LINK/V2 in-
circuit debugger/ programmer section
STM32F302R8T6
microcontroller
X-NUCLEO-IHM07M1 ELECTRONIC BOARD FOR DRIVING BLDC MOTORS
为了驱动无刷直流电机，我们选择了基于L6230 IC驱动器的X-Nucleo-IHM07M1电机驱动扩展板。最后一个是三相无刷直流电动机驱动程序，为驱动三相无刷直流电动机提供了一个价格低廉、易于使用的解决方案。X-Nucleo-IHM07M1板与ST Morpho连接器兼容，并支持添加其他可堆叠在STM32核板上的板。X-Nucleo-IHM07M1是完全可配置和准备支持不同的闭环控制模式的电机没有或配备传感器;最后，它与三分流或单分流电流测量兼容。在图11中，拓展板X-Nucleo- IHM07M1(图a)及其在STM32 Nucleo 64引脚板上的装配(图b)如图所示。
(a)
(b)
图11 ihm07m1核心 马达驱动扩展板(a)及其通过Morpho连接器(b)装配在STM32核心64引脚板上。
STM32型核心与X-Nucleo-IHM07M1板之间的互连是完全兼容的，不需要修饰焊料桥接。当堆叠时，固件编程后，系统准备好与一个无刷直流/永磁同步电机连接运行。
拓展驱动板的主要部分基于L6230 IC，这是一个DMOS完全可配置驱动程序，用于三相无刷直流/永磁同步电动机，该驱动程序装配在Power- SO36封装中(如图12所示)，具有过流和热保护。电源电压通过外部连接器提供，可以选择数字部分(STM32核心板)是由USB提供还是由J9跳线设置的扩展板提供。
L6230驱动器集成了一个由六个功率mosfet组成的三相桥。采用n通道功率mosfet作为桥上晶体管，需要一个高于电源电压的栅驱动电压。启动带电源电压(VBOO
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