用ST72141实现无刷直流电机的控制
摘要：意法半导体的ST72141是专门用在无刷直流电机（BLDC）控制的单片机。内部包含意法半导体自有的反电动势检测专利技术，专门用于电机控制的片内外设，大大减少了电机控制系统的成本，简化了电机控制系统的设计。引 言
1 概 述
ST72141是ST公司专门用于同步电机控制的一款单片机，特别适合3相无刷直流电机的控制。无刷直流电机可用于工业控制、汽车电子产品、电冰箱、空调、压缩机和风扇等产品。无刷直流电机的优点是效率高、工作噪声低、体积小、可靠性好和寿命长。
ST72141是ST7微控制器家族产品中的一员。它包括A/D转换和SPI接口，有专门用于无刷直流电机控制的片内外设，可选择带传感器模式和不带传感器模式。
ST7片内的电机控制电路可看成是一个脉宽调制多路复用器。它有6路输出和1个用在无刷直流电机不带传感器控制时的反电动势零点检测电路。
ST72141的电机控制外设有4个主要的部分：
◇ 去磁结束和反电动势零点的检测电路；
◇ 延迟管理电路；
◇ PWM管理电路（需要PWM信号来驱动电机）；
◇ 通道管理电路。
ST72141在无刷直流电机中的典型应用如图1所示。
图2 6步长120度的驱动模式
2 无刷直流电机的基本原理
无刷直流电机包含2个同轴的磁性电枢：外部电枢，即固定的定子；内部电枢，即可动的转子。定子是电机的引导部分；转子是电机的感应部分。无刷直流电机内部电枢的转子是一个永磁体。这个电枢由恒流源供电。定子可以有多相（这里以3相为例）。电机是同步电机。无刷永磁体直流电机是同步电机，定子的磁场旋转速度和转子的机械旋转速度相同。
反电动势是使用ST72141在不带传感器模式下驱动无刷直流电机的基础。反电动势和转子的'转速、流过转子的磁通和相应绕组的转子数目成正比。
绕组产生的力矩大小与电流和磁通量成正比关系。
ST72141提供2种控制方式：电压模式和电流模式。 电流模式下可以直接按比例调节力矩；电压模式下可以调节速度，设置力矩限阈值（即电流的阈值）。
3 ST72141用于无刷直流电机控制
图2为采用6个步长的电机控制原理图。
ST72141中的电机控制是基于标准的三个半桥6个步长控制原理。
T1、T3、T5是电机A、B和C绕组相的上端晶体管。
T2、T4、T6是电机A、B和C绕组相的下端晶体管。
在步长1时，相A为正向偏压，所以这个绕组中的电流是正向的；相B为反向偏压，所以这相绕组中的电流是负向的。这时C相绕组没有施加电源。
无刷模式下，使用ST72141控制电机，可以读取这个没有施加电源的相绕组反电动势（这里以绕组相C为开始的步长1）。通过读取这个反电动势，可以确定转子的实际位置。
图4 事件时序示意图
如图3所示，反电动势和相绕组的电流同方向时，效率最佳。
ST72141可以有2种不同的驱动模式：电压模式和电流模式。电流模式下，通过改变电机的参考电流而改变力矩的大小（因为力矩和电流成正比）。电流的控制是通过PWM来调整的。电压模式下，通过改变电机的参考电压来改变速度。这种模式不是直接控制电流，但设置了电流的最高限制，即力矩可达的最大值。电压的控制也是通过改变PWM周期来实现的。