小型直流无刷电机的控制系统（二）

无感无刷直流电机控制系统硬件电路设计

       本次主要完成无位置传感器的无刷直流电机控制器的硬件电路设计。选用意法半导体公司推出的STM32F103RCT6单片机作为主控芯片，用于系统的数据采集和信息处理。

控制系统的结构

该控制系统的控制过程为：STM32F103RCT6单片机的AD转换器采集电机悬空相的电流信息，开设AD转换的DMA通道，将采集的电流信息直接赋值给相关变量，然后对该变量进行处理，判断过零事件。如果过零事件发生，则执行换相操作，否则，一直监视悬空相的电流。我们利用定时器产生的互补PWM对上桥臂和下桥臂的功率器件进行驱动，比如在AB相导通的时刻，A相上桥臂和下桥臂功率器件输出互补PWM，B相下桥臂功率器件保持导通状态，其余功率器件关断。其他情况与此类似。

主控芯片的选择

主控芯片是控制系统的核心部件，用于计算和处理各种外设的信息，再讲计算结果输出。主控芯片的运算速度直接影响了系统了实时性，无刷直流电机控制系统在高速运行时要求主控芯片必须有很高的运行速度，能够进行大量的信息处理，只有这样，才能保持控制系统的实时性和稳定性的要求。控制系统还需要6的PWM信号输出，用于驱动三相功率器件，因此主控芯片上必须有至少有3路互补PWM信号。此外，主控芯片上的资源直接影响控制系统电路的复杂程度。如果我们需要的模块已经集成在主控芯片上，那就大大减少了我们外围电路的设计。根据上述要求，我们选择了STM32F103RCT6作为我们的主控芯片。原理图如下。

该芯片系统晶振高达72MHz，可以满足我们对主控芯片的处理速度的要求；芯体尺寸为32位，含有多级流水线结构；数据存储器容量是256KB，程序春促器类型是FLASH，RAM容量是48K；该芯片包含4个定时器，其中包含一个高级定时器，可以输出4路互补PWM波；该芯片的连通性好：可使用CAN,I2C,IrDA,LIN,SPI,UART/USART,USB等进行通信；该芯片采用内置振荡器，电源电压为2V~3.6V，可在-40℃~85℃的换将下工作;该芯片内置ADC转换模块和DMA模块，可以方便的调用。另外，它还有完善的开发环境，使用Keil5进行软件开发，并且还支持一键烧录和在线仿真，为我们控制系统的实现提供了不少便利。

图1 STM32F103RCT6原理图

最小系统设计

控制电路的最小系统包括电源电路，时钟电路，复位电路，功率驱动电路，采样电路等。STM32F103RCT6单片机（以下简称主控芯片）的供电电压是+3.3V，因此，需要设计专用的3.3V稳压电路。下面将详细介绍最小系统的各个部分。

电源电路

电路板上的共有三种电压：12V，5V，3.3V。12V为电路板的供电电压，三相的功率开关器件的供电电压也是12V；5V是中间过渡电压，由12V降压到5V，再由5V降压到3.3V。3.3V再给主控芯片、按键电路、运算放大器等供电。

由12V降压到5V我们用的是TI（美国德州仪器）最新推出的DC/DC开关电源转换芯片--TPS5430芯片。该芯片具有良好的特性，高电流输出达到3A，峰值为4A，足够主控芯片及外围芯片使用（三相功率器件电流不流经该芯片）。该芯片拥有很高的转换效率，最佳状况下可达95%。并且TPS5430芯片内部自带过流保护及热关断功能，不用我们外加保护电路，增加了主控板的保护能力。电路中使用一个发光二极管指示电源通路。该部分电路图如图3-2所示。

图2 TPS5430稳压电路(12V--5V)

   控制系统使用SM1117芯片将5V电压稳定到3.3V，该芯片可以把直流5V电压转换成3.3V电压，并且波动较小，稳定性好，适合低电压的电源电路。应用是在芯片的输入端和输出端都用了电容以滤去信号中的谐波。电路图如3-3所示。

图3 SM1117稳压电路（5V—3.3V）

时钟电路

主控芯片内部配有RC震荡器，能够给内部PLL（锁相环）供给时钟，也就是说，主控芯片不需要外部电路，仅以内部振荡器就能以72MHz速度运行。但是内部振荡器的精度高，稳定性稍差，所以控制系统中使用外部时钟作为主控芯片的时钟信号。电路图如图3-4所示。其中接在晶振两个脚上和对地的电容叫做晶振的负载电容。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。同时，这两个电容的存在也有起震的作用。

图4时钟电路

复位电路

复位电路就是用来使控制系统恢复到起始状态的电路。在程序跑飞或者控制系统出错的情况下使程序重新运行。主控芯片的复位需要复位引脚保持一段时间的低电平。这样主控芯片将复位并从新运行程序。复位电路如图3-5所示。其中电阻的大小不是不单单起到限流的作用，并且还控制了复位时间。电容充电时间与RC的值成正比，复位电路的电容只是在上电的那一小段时间起作用，充电瞬间电容有电流流过，所以RST端有低电平。按键按下之后，由于有上拉电阻的存在，RST处依然为低电平。当然，在按键按下的时候，主控芯片处于一直复位的状态，只有松开按键，芯片才真正完成复位，从最初状态重启运行。

图5 复位电路

至此第二篇结束，在接下来的内容中会对电路的系统结构和主控等做介绍和说明哦！