1、ST72141介绍目录介绍目录A.永磁直流无刷电机的基本原理永磁直流无刷电机的基本原理B.ST72141 产品介绍产品介绍-基本功能基本功能-ST7 单片机内核单片机内核-电机控制模块电机控制模块-驱动模式：电流模式驱动模式：电流模式/电压模式电压模式C.ST72141 优点优点D.附录附录-起动时序起动时序 -PIPI闭环控制算法闭环控制算法永永磁磁直直流流无无刷刷l主要优点主要优点:运行效率高(最高可达到 98%)调速性能好低噪声更高的可靠性/更长的使用寿命(无电刷)具有较大的启动力矩（与交流电机相比）l主要应用主要应用:压缩机(空调,冰箱)小家电(吸尘器,食物搅拌机)工业风扇电单车汽车电
2、子(油泵,水泵,冷却风扇,空调)办公自动化应用(激光打印机,复印机)永永磁磁直直流流无无刷刷电电机机l运行特性:同步特性:定子磁通量与转子机械转速同步.定子结构:3 相绕组(可由多对极组成).转子结构:永磁体.电周期与机械周期的关系:1 机械周期=P 电子周期 对于单对极电机:1电子周期(6 步)=1机械周期1NSABCAB2NSACAB永永磁磁直直流流无无刷刷电电机机 驱动方法:6 步换相(相电流为T形波)相序:ABACBCBACACB2T1 T1 T3 T3 T5 T5 T4 T6 T6 T2 T2 T4123456tttABCA,B,C三相电流波形 UVW16543CAT5T6T3T1T
3、4T2B+300V DC-+I1NSABCT1-T42NST1-T6AB3NSABT3-T64NSABCT3-T25NSAT5-T2BC6NSABCT5-T4 1电子周期电子周期(6 步步)=1机械周期机械周期4256ABCT1-T4T1-T6AAAABBT3-T6BCT3-T2T5-T2BCABCT5-T41SSNN1SSNN1SSNN1SSNN1SSNN1SSNN1CSSNN1 2电子周期电子周期(12 步步)=1机械周期机械周期永永磁磁直直流流无无刷刷电电机机l控制方法控制方法:为了能够实现自动换相,必须时刻检测电机转子的位置.一般来说,有2种方法检测转子的位置:通过霍尔位置传感器检测转
4、子的位置(sensor mode)通过电机绕组的反电动势检测转子的位置(*注)(sensorless mode)换相时刻点:当定子绕组的电流与其反电动势同相时进行换相时.控制过程要求时刻保持定子绕组的电流与发电动势信号同相:Pe=E*I;E-定子反电动势,I-定子电流,Pe-有用功率v注:定子绕组反电动势是由永磁转子的旋转在定子绕组中感应生成:e=dj/dt,它的产生与电机通电与否无关(当手动转动电机转子时,同 样也能在定子中产生反电动势),与转子转速成正比.因此,定子相电压由外加驱动电压与反电动势叠加而成.l电机定子绕组内的信号波形电机定子绕组内的信号波形tcurrentBack-EMF反反
5、电电动动势势检检测测的的实实策略:-需要创建一个虚拟中心点.-取自虚拟中心点及反电动势的信号被分压、滤波后再输入到比较器进行检 测.缺点:-由于对被检测信号进行了分压,使得灵敏度降低并且在低速时检测困难导 致低速性能较差.-由于对被检测信号进行了滤波,导致了转子位置检测滞后.300VPOWER GNDNN+5V电阻分压电阻分压&滤波滤波BUS电源地电源地NBUSNN电源地电源地虚拟中心点虚拟中心点电阻分压电阻分压&滤波滤波 滤波后的虚拟参考点 N的电压滤波后的相电压反电动势过零点(反电动势由负变为正)filt1.hgl相电流 S ST T7 72 21 14 41 1 特特有有的的 GNDAB
6、CT1 PWM ONT4 always ONbemf300VV/2反电动势信号未被衰减反电动势信号未被衰减,直接通过一电阻接到单片机的端口上直接通过一电阻接到单片机的端口上高灵敏度高灵敏度+宽调速范围宽调速范围+好的低速性能好的低速性能+大的启动力矩大的启动力矩(非常适合类似压速机的负非常适合类似压速机的负载载)无滤波延时无滤波延时高信噪比高信噪比ABCT5T6T3T4+300V DC+IT1T2 GNDABCT1 PWM OFFT4 always ON300VGND+5V1Vvoltage clampingST72141micro controllerbemfS ST T7 72 21 14
7、 41 1 特特有有的的反电动势过零点反电动势过零点-相电流-相电压-退磁结束点退磁结束点反电动势由负变为正反电动势由正变为负退磁结束点退磁结束点反电动势过零点反电动势过零点ST MethodGE Method专利号US 5,859,520control of a brushless motorUS 4,654,566原理全数字方案:-反电动势经片内箝位转换成05V的数字 信号;-在退磁结束后,当上桥臂IGBT打开时,由于 续流二极管的续流作用,定子绕组中心点N 的电势为0,此时才打开反电动势的检测窗 口.模拟方案:-需要创建虚拟中心点 N,采样信号经过分 压衰减和滤波;-经过衰减和滤波的信号
8、被输入到外部比 较器.缺点PWM 的占空比不能完全达到100%.-需要电阻分压及滤波;-灵活性低:电压和频率受限于外部反电动 势检测电路,降低了调速范围;-对不同的电机及速度范围,必须重新设计 反电动势检测电路的参数;优点无传感器;可进行宽范围的速度检测;无须外加反电动势检测电路,可有效降低本.无传感器 无专利侵犯无专利侵犯+降低成本降低成本ST72141介绍目录介绍目录A.永磁直流无刷电机的基本原理永磁直流无刷电机的基本原理B.ST72141 产品介绍产品介绍-基本功能基本功能-ST7 单片机内核单片机内核-电机控制模块电机控制模块-驱动模式：电流模式驱动模式：电流模式/电压模式电压模式C.
9、ST72141 优点优点D.附录附录-起动时序起动时序-PIPI闭环控制算法闭环控制算法l基本特性:8 Bit 内核8K ROM/OTP/EPROM;14个多功能双向I/O端口,内含:-外部中断;-13个多功能复用端口;-3个高电流输出端口(漏极开路:20mA)2 个 16 bit定时器,内含:-2 个输入捕捉;-2 个输出比较;-外部时钟输入;-PWM 及单脉冲输出模式;SPI 同步通讯接口;8 通道 8 bit ADC;SDIP32 or SO34S 封装;l电源模块特性:增强的片内复位系统;低电压监控系统;3 个低功耗模式;片内Watchdog;ST7216 bit timer8KROM
10、/EPROMSPI16 bit timerPort APort Breset8 bit A/D convOsc.4MHz or 8MHzHardwarewatchdog256 byte RAMDedicated 8bit timer&Arithmetic unitDisable inputBEMF samplingST7 coreWord,byte,bitManipulation17 address mode63 instructionsC compilerBEMF&step time controlFor sensorless operSpeed control(sensorless clo
11、se loop)System taskTemperature controlAir flux controlPressure controlProtocolmanagement用户软件用户软件EEPROMRemotesensorPowerstageInterfaceMotorST电机驱动软件电机驱动软件PMDCMCIAMCIBMCICMCO5MCO4MCO3NMMCO2MCO1MCO0MCCFIOCP1AST72141VccL6386HVGOUTHINSDSGNDLVGPGNDLINL6386HVGOUTHINSDSGNDLVGPGNDLINL6386HVGOUTHINSDSGNDLVGPGN
12、DLIN300-400V DC 输入应应用用电电路路图图无无传传感感器器永永磁磁输入到 ST72141的反电动势信号5V上桥臂输出5V下桥臂输出15V上桥臂输出15V下桥臂输出电流检测信号电流设定输入PMDC电机的6步驱动输出 Note 1:Note 1:电压模式下:PWM 信号由16位定时器TIMER A 产生 Z:反电动势过零事件 Zn:相邻两个Z事件的时间间隔 C:换流事件 C n:Z事件发生后到下一次换流事件的延时间隔(V)R1extR2extVDDMCIAMCIBMCICBEMF=0MCO5MCO4MCO3MCO2MCO1MCO0PHASETIMERDELAY=WEIGHT x Zn
13、MCCFIOCP1ANMCESDELAY=?CAPTURE Zn换流 CMEASUREMENTWINDOWGENERATORCURRENTVOLTAGE MODEInternal VREFWEIGHTPWM(1)(I)(V)(V)(I)Cext(I)延时管理单元通道管理单元反电动势过零监测器PWM 信号管理单元Z(V)(I)MTIM(I):电流模式(V):电压模式ST72141 片片内内l反电动势过零检测反电动势过零检测 3 个相电压输入(模拟信号)端口用于无传感器转子的位置检测.(在驱动有传感器电机时:这3个端口的输入信号为HALL 转子位置信号(数字信号)芯片内置箝位二极管 比较输出后的退
14、磁结束检测信号的采样率为:800KHz.并且有 4 个软件可选的参考电压用于硬件退磁结束检测:分别为:0.2V,0.6V,1.2V,2.5V 可基于上一次下桥臂的硬件退磁结果用软件来模拟此次的退磁事件.反电动势过零检测:在反电动势过零检测时,芯片内的相电压比较器直接检测电机的相电压而未加任何衰减:-200mV 灵敏度&100mV 滞环.-有 4 个软件可选的参考电压用于反电动势过零检测 (与退磁结束检测的参考电压相同)ST72141 片片内内电电机机驱驱动动*use preload registerVREFInputn Sel RegVR1:0MCICMCIAMCIBABCIS1:0CP000
15、110+-D QCP12VI16-bit TimerA PWMSampling frequency divided by internal 4Mhz clockFreq(T=1.25 s I.e.800khz)for demagnetization and sensorsSampleCDS,HMPHST b7-b6*MCRA b3MCRB b7-b6VOC1 bitzDPWM信号 反电动势过零检测与退磁结束公用一个检测电路ST72141 片片内内电电机机驱驱动动*use preload registerZVD HDMZDHSR bitorororor1220s/D20s/CCPBREO bit
16、CDS,HCPBMCRB b5MPAR b7*MPAR b6SampleMCRA b5MCRB b5MCRB b4*5V0Vl延时管理延时管理:延时管理:此次的反电动势过零检测到下一次的换相之间的延时时间:自动计算并且可软件编程.硬件的 8*8 乘法器 和/32 除法器:用于延时时间的自动计算在起动时此单元不起作用.通过选择第 n-1 次的步长时间(Zn-1)来计算延时时间:可对不对称电机进行自动补偿.K=f(motor characteristics,application,speed)0;255ZZCTT/32(TxK)/32ST72141 片内电机驱动模块片内电机驱动模块(3)延时管理单
17、元延时管理单元tzero crossing detection timesDelayback-EMFtswitching time of step n+1currentcC:commutationZ:Zero CrossingD:end of demagnetisationcDZZimage of ST72141 Motor control timer(MTIM)Maximum efficiency with delay anagerST72141 片片内内电电机机驱驱DELAY=WEIGHT x Zn/32orDELAY=WEIGHT x Zprv/32DELAY WEIGHTCapture
18、 Zn=?TIMERCommute(C)YesZn:最近的最近的相邻两个相邻两个Z Z事件的时间间隔事件的时间间隔C:换流事件换流事件Capture ZprvZprv:前一次的前一次的相邻两个相邻两个Z Z事件的时间间隔事件的时间间隔WEIGHT:WEIGHT:延时系数延时系数-与电机特性与电机特性,运行速度有关运行速度有关ST72141 片内电机驱动模块片内电机驱动模块(3)延时管理单元延时管理单元RegisterRegister updated on R eventMWGHT Reg an+1A x B/323 CDCB bitSWA bitCompareZZset888nn-1O8MTI
19、M 8-bit Up CounterMZREG Reg ZNMZPRV Reg ZN-1MCOMP Reg CN+1MCRA b2MCRA b0lPWM PWM 信号管理单元信号管理单元 片内比较器用于电流环控制(见后述)-电流模式下的相电流调整-电压模式下的相电压调整/限流 在PWM OFF 的时刻对反电动势进行过零检测.demagnetisation timeback-EMF monitoring window(when high side PWM off)end of demagnetisation detection20ms l电流模式电流模式:以定子绕组的电流作为直接控制对象,即:以
20、PWM占空比改变电流的参考值,如图 精确跟踪定子绕组的电流 可进行直接的输出力矩控制l电压模式电压模式:以改变PWM占空比电压参考值的方式来控制转速 设置最大相电流(限流功能)从而限制最大力矩 用于负载力矩变化比较大的应用场合 MotorVoltagecurrent referenceclocktI ttstep timestep timeT1-T4T1-T6S ST T7 72 21 14 41 1 片片内内电电机机驱驱动动-+setRcurrent referenceTIMER clockHVST72141MicrocontrollerT1T4 A I MotorVoltage curre
21、nt referenceclocktttstep timestep timeT1-T4T1-T6ST72141 Timer A 输出30K70KS ST T7 72 21 14 41 1 片片内内电电机机驱驱动动I Motor VoltageMax current referencettstep timestep timeT1-T4T1-T6-+setRTIMERHVST72141 MicrocontrollerT1T4 A ST72141 Timer A 输出输出 Vdd最大电流设置最大电流设置值值tzero crossing detection timesDelayback-EMFtswi
22、tching time of step n+1currentI MotorVoltagecurrent referenceclocktttstep timestep timeT1-T4T1-T6cC:commutationZ:Zero CrossingD:end of demagnetisationcDZZimage of ST72141 Motor control timer(MTIM)S ST T7 72 21 14 41 1 片片内内电电机机驱驱动动l通道管理单元通道管理单元 换相控制-6 STEP 通道切换 6 PWM 输出通道-分组:1 or 2 组(奇&偶)-根据相应的组及相位的选
23、择,将PWM信号混合到相应的通道上-可编程极性-高电平/低电平 有效 -PWM频率范围:195Hz to 25KHz 输出-可编程PWM off-time:5S 到 30S(sensor 模式时固定为 1.25S)加速退磁特性(通过选择将PWM加在不同的桥臂).1 个紧急故障输入端口,可使6路PWM通道进入高阻态(低电平有效)1 个“SW”使能位,可使6路PWM通道进入高阻态MCRA b3CFF bitOO bits*COE5:0 bits66OS2:0 bits*Phasen Register*SR bit316-bit Timer PWMSampling frequencyDAC bitC
24、urrent comparatoroutputVI16-bit timer PWMS QRV0C1 bitVI2.5-s FilterOP5:0 bitsMOE bitx6x661M CO0M CO2M CO4M CO3M CO5M CO1MPHST b5-b0MPOL RegisterMCRB b2-b0MPAR b5-b0MRCA b7MCRA b5MCRA b4MCRA b1NMCESPOLARITY REGISTEROUTPUT STAGE*use preload register加加速速退退磁磁(1)Step 1换流:1-2B相绕组退磁Step 2AAABBBCCCT1T1T1T4b
25、emfT6T6bemfPWMV/2VVVV/2-GNDABCT5T6T3T4+300V DC+IT1T2D2D3GND加加速速退退磁磁(2)Step 3ABCT3T2bemfV换流:2-3A相绕组退磁ABCT2PWMVStep 2ABCT5T2bemfVT3V/2-VV/2D6D1CBAT5T6T3T4+300V DC+IT1T2反反电电动动势势检检测测窗窗口口tI1I2demagnetisation timeis increasing when current is high back-EMF monitoring interval decreaseback-EMFmonitoring in
26、terval反反电电动动势势检检测测窗窗口口tI1demagnetisation timeis increasing when line is lowcurrent slope proportional to the line voltageback-EMFmonitoring window反反电电动动势势检检测测窗窗口口与与*use preload registerVREFInputn Sel RegVR1:0MCICMCIAMCIBABCIS1:0CP000110+-D QCP12VI16-bit TimerA PWMSampling frequency divided by intern
27、al 4Mhz clockFreq(T=1.25 s I.e.800khz)for demagnetization and sensorsSampleCDS,HMPHST b7-b6*MCRA b3MCRB b7-b6VOC1 bitzDPWM信号反反电电动动势势检检测测窗窗口口与与demagnetisation timeback-EMF monitoring window(when high side PWM off)end of demagnetisation detection20ms PWM频率越低,反电动势过零检测采样率越低闭闭环环控控制制算算法法(电电ST72141介绍目录介绍目录
28、A.永磁直流无刷电机的基本原理永磁直流无刷电机的基本原理B.ST72141 产品介绍产品介绍-基本功能基本功能-ST7 单片机内核单片机内核-电机控制模块电机控制模块-驱动模式：电流模式驱动模式：电流模式/电压模式电压模式C.ST72141 优点优点D.附录附录-起动时序起动时序-PIPI闭环控制算法闭环控制算法ST7214l芯片较高的性价比芯片较高的性价比:封装:SO34S/SDIP32 与 DSP 方案相比,成本更低 OTP 价格:MASK ROM 的1.5 到 2 倍 l降低系统成本降低系统成本:ST 特有的无传感器转子定位方案(无传感器/减少外围电路)芯片内置电流环(无需外围电路)芯片
29、内置箝位二极管,并有大电流输出端口 芯片内置复位电路(可省去外部复位电路)DACMT3T5 Current regulationEnableMCUPosition feedbackHall sensorsBemf detectorCPU discharged of:Stator commutationPower driveST7214l高灵活性高灵活性/缩短开发周期缩短开发周期:工业级的 8 位单片机结构,可大大缩短工程师的学习时间(与 DSP相比)具有MCU的高灵活性(与ASIC相比)管脚兼容:OTP(2weeks L/T)or FastROM(4weeks L/T)l高超的性能高超的性能:
30、强大的8位内核 优化的控制方案:尤其适用于家电直流变频 及 工业变频控制.内置专用的电机控制单元可大大减少处理器的负担.紧急故障输入口 (可使6路PWM通道进入高阻态)内置:Watchdog,LVD,safe reset ESD:Product passes 3500VST7214l完善的技术支持完善的技术支持:高性能的 C 编译器(Hiware/Cosmic)仿真器/编程器 详实的应用注释 完整的变频驱动方案(软件/硬件)Demokit-KANDA KIT-PC界面-内置一无传感器直流无刷电机-可通过参数设置,直接驱动用户自己的电机-可自动产生优化的电机驱动软件-编程器 ST应用工程师负责客
31、户支持 VReg.ResetPWMGateDriveGateDriveCurrentLimitV Batt5VLogicInter-faceL6386ST72141Temp.Diagn.DataTransc.BEMFCero CrossingPhaseCommu-tationEnableTo ECU256 B RAM 8 k ROMOsc.SupplyTimer 1Timer 28 bitCoreIOADCInterfaceRXTX3-PhaseMotorS ST T 面面向向压压速速机机控制模式 电流/电压 模式速度控制 通过PI闭环算法,误差最大只有:士 0.2HZ速度范围 从 几 赫兹
32、到 120 赫兹 最大速度 受PWM频率影响启动力矩 仅受电机自身特性的限制启动速度 十几个step就能顺利启动启动时间 一般只需 2 秒钟左右电机特性 对于星形或三角形接法,软/硬件相同ST72141介绍目录介绍目录A.永磁直流无刷电机的基本原理永磁直流无刷电机的基本原理B.ST72141 产品介绍产品介绍-基本功能基本功能-ST7 单片机内核单片机内核-电机控制模块电机控制模块-驱动模式：电流模式驱动模式：电流模式/电压模式电压模式C.ST72141 优点优点D.附录附录-起动时序起动时序-PIPI闭环控制算法闭环控制算法起起动动I motor30%imposed I13220001000
33、rotation speed(rpm)waiting for BEMFsynchronous sequenceenabling auto-commutated modeclosing theregulation loop预预定定位位 UVW63CAT5T6T3T1T4T2B+300V DC+IT1-T4-T6NS 使转子进入预定的位置使转子进入预定的位置 采用非正常的励磁方法采用非正常的励磁方法 须减少在起动位置的振荡须减少在起动位置的振荡预预定定位位12345678910111213141516171819202122232425Consecutive steps0%10%20%30%40%
34、50%Current level.PWM duty cycleData A预定位时间长度可由软件控制预定位时间长度可由软件控制强强迫迫1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738Number of steps020406080100120140Step time(ms)Data AStarting Ramp Table起起动动时时序序电电流流波波形形(起起动动时时序序电电流流波波形形(起起动动时时序序电电流流波波形形(起起动动时时序序PWM波波形形起起动动时时序序PWM波波形形(2)L自动换相模式下的波形
35、自动换相模式下的波形(1)运行频率运行频率:60HZ自动换相模式下的波形自动换相模式下的波形(2)运行频率运行频率:60HZlIrefn=I0+P&en+I(ni=0 i)STP int其中其中:Starting Value I0=Proportional Element P&n=Integer Element I(ni=0 i)P=1/K1=Proportionnal Coefficient I=1/K2=Integer Coefficient STPint(0)=0l60%duty cycle on the timer A.At 100%duty cycle,we have 5V.So,w
36、ith 60%we have 5*0.6=3V(A)lThe divider has a value of 0.7(70K/(30K+70K).So after the divider we have 3*0.7=2.1V(B)lAt OCP1A pin we have 2.1V.So,2.1 V applied on MCCFI for the current regulationl2.1V on MCCFI pin means 2.1/10(amplifier)=0.21 V at C and so with the 0.05 Ohms resistor,this means 0.21/0.05=4.2AlSo,with a 60%duty cycle,4.2A are applied to the motor.x10Timer A30K70KABOCP1AMCCFICD0.05 Ohms60%duty cycle
