采用六步换相法实现直流无刷电机的正反转驱动

前言

主控板STM32F302R8+驱动板X-NUCLEO-IHM07M1+直流无刷电机WR36BL61，采用六步换相法实现电机的正反转驱动。

一、驱动板X-NUCLEO-IM07M1简单介绍

X-NUCLEO-IHM07M1驱动板有一颗MOS管集成芯片L6230，该驱动芯片集成有3个桥臂6颗MOS管可驱动PMSM及BLCD电机，内部结构如下图所示。

其典型应用如下图所示：

X-NUCLEO-IHM07M1驱动板的驱动电路如下图所示，采用桥臂1、桥臂2以及桥臂3构成的三相逆变电路驱动无刷直流电机，EN1、EN2以及EN3为为每相桥臂的使能控制输入，IN1、IN2以及IN3为每相桥臂的开关控制输入，OUT1、OUT2以及OUT3为输出，外接无刷直流电机。

二、STM32F302R8+X-NUCLEO-IHM07M1驱动直流无刷电机

2.1.功能需求

采用六步换相法驱动无刷直流电机转动，并实现直流无刷电机的换向控制。按下一次按键电机正转；再按一次按键电机停止；再按一次按键电机反转；再按一次按键电机停止，以此循环。

2.2.硬件设计

控制板：STM32F302R8

驱动板：X-NUCLEO-IHM07M1

直流无刷电机：WR36BL61，额定功率10W，额定电压24V，额定电流0.5A，转速2000RMP，极对数2。

2.3.软件设计

本次软件设计框架为：STM32CubeMX配置底层代码；底层与应用层的接口代码在Keil环境下开发；应用层代码在Matlab/Simulink中开发。

STM32CubeMX底层配置

为了更直观简单地实现直流无刷电机的六步换相控制，将所用引脚均设置为普通I/O口模式。

1、RCC设置为外接时钟，72MHz

2、PA8、PA9、PA10、PC10、PC11、PC12设置为推挽输出、无上下拉电阻、高速，初始化状态设为0； PA15、PB3、PB10设置为输入，无上下拉电阻； PB13、PB2设置为推挽输出，下拉电阻、高速，初始化状态为0； PC13设置为输入，无上下拉电阻。

3、IDE设置为MDK-RAM，在Keil环境中完成编译下载

Keil应用层与底层的接口开发

#include "Interface.h"


uint8_t EN1_State;
uint8_t EN2_State;
uint8_t EN3_State;
uint8_t IN1_State;
uint8_t IN2_State;
uint8_t IN3_State;
uint8_t LED1_State;
uint8_t LED2_State;


//获取按键状态
uint8_t Get_KeyState(void)
{
  return HAL_GPIO_ReadPin(KEY_GPIO_Port, KEY_Pin);
}


//获取三路霍尔传感器状态
uint8_t Get_HallAState(void)
{
  return HAL_GPIO_ReadPin(H1_GPIO_Port, H1_Pin);
}


uint8_t Get_HallBState(void)
{
  return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, H2_Pin);
}


uint8_t Get_HallCState(void)
{
  return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, H3_Pin);
}


//设置引脚状态
void Set_EN1State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, EN1_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


void Set_EN2State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, EN2_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


void Set_EN3State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, EN3_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


void Set_IN1State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, IN1_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


void Set_IN2State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, IN2_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


void Set_IN3State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, IN3_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


void Set_LED1State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, LED1_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


void Set_LED2State(uint8_t PinState)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, LED2_Pin, (GPIO_PinState) PinState);
}


//无刷直流电机驱动
void BLDC_SixStepDriver(void)
{
  Set_EN1State(EN1_State);
  Set_EN2State(EN2_State);
  Set_EN3State(EN3_State);
  Set_IN1State(IN1_State);
  Set_IN2State(IN2_State);
  Set_IN3State(IN3_State);
}


//LED驱动
void LED_Driver(void)
{
  Set_LED1State(LED1_State);
  Set_LED2State(LED2_State);
}

应用层开发

输入处理：包括霍尔信号处理模块和按键处理模块。

电机运行模式：设计有电机停止、电机正转、电机反转三种模式，LED1用于指示程序运行“500ms亮，500ms灭”。

电机模式运行执行模块：

电机停止：关闭引脚驱动输出

电机正转：内部逻辑用Stateflow写，根据霍尔状态控制开关管进行六步换相控制

电机反转：内部逻辑用Stateflow写，根据霍尔状态控制开关管进行六步换相控制

输出处理：将需要的信号进行输出

模型搭建完成仿真无误后生成代码，与底层代码在Keil中集成。

应用层与底层的代码集成

将Matlab/Simulink模型生成的代码文件夹复制到底层生成的工程下。

在工程中将Matlab/Simulink生成的代码文件BLDC_SixStep目录中的.c/.h文件都添加进工程。

注：此时编译工程会报错，缺少“solver_zc.h”头文件，该头文件在Matlab/Simulink/Include路径下面，可以直接把该文件粘贴复制到Matlab/Simulink生成的代码文件BLDC_SixStep目录中，也可以将该文件的路径进行添加。

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */


  /* USER CODE END 1 */


  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/


  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();


  /* USER CODE BEGIN Init */


  /* USER CODE END Init */


  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();


  /* USER CODE BEGIN SysInit */


  /* USER CODE END SysInit */


  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  BLDC_SixStep_initialize();
  /* USER CODE END 2 */


  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */


    /* USER CODE BEGIN 3 */
    BLDC_SixStep_step();

    BLDC_SixStepDriver();
    LED_Driver();

    HAL_Delay(1);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

在主函数中调用Matlab/Simulink生成代码中的函数，BLDC_SixStep_initialize()为模型初始化函数；BLDC_SixStep_step()为模型函数， 执行该函数一次，相当于在Matlab中运行模型一次， 根据BLDC_SixStep_step()函数的运算结果进行电机驱动。在Matlab/Simulink中设置模型1ms运行一次，所以在工程下也要确保BLDC_SixStep_step()函数1ms运行一次。

2.4下载验证

电机正转：A相和B相上的电压

电机反转：A相和B相上的电压

总结

本章节基于STM32F302R8控制板和X-NUCLEO-IHM07M1驱动板，采用六步换相法实现了直流无刷电机的正反转驱动，并且软件编程的工具链采用STM32CubeMX+Matlab/Simulink+Keil，大部分代码采用自动生成的方式简化了编程的难度。