一．课题研究背景及意义
从自动化生产领域到农业领域甚至是医疗领域，微型泵流量控制系统都有着十分广泛的应用。在传统的微型泵流量控制系统中常使用机械换相，这使得电刷极易磨损，特别是在工作环境湿度较大的流量控制系统中，机械部件的寿命变得更短，这使得有刷直流电机难以满足要求。
检测技术的不断进步，对电机转子的换相技术提供了新的思路。传统的有刷直流电机，其转子必须与电刷接触。霍尔传感器的出现，为实现不接触的换相提供了可能。于是，由绕组线圈作为定子，永磁体作为转子的无刷直流电机也就应运而生了。位置传感器是无刷直流电机区别有刷直流电机的主要标志，不同之处在于无刷直流电机的换相是电子控制的。
考虑到以上几点，微型泵流量控制系统中采用带霍尔的无刷直流电机驱动的方式，满足不同应用领域的性能和安全指标要求。在驱动上采用梯形波的驱动方式，它的驱动算法运算量较少，可以在成本较低的单片机上实现，同时可以做到较好的低速性能。同时由于其可靠性，可以满足大部分生产场景，使用霍尔传感器进行换相和测速也是在成本和可靠性之间得到的一个很好的平衡。
二．系统总体方案及设计
本系统主要包含服务器，客户端监控软件，多通道流量控制器和微型泵电机驱动器。如图 2.1 所示是整个流量控制系统的组成框图。
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图 2.1 系统总体组成框图
从客户端监控软件来看，监控软件可以从服务器获取到多路控制器传来的流量信号，而一个多通道流量控制器就可以控制多台微型泵电机驱动器的运行，在实际工厂的生产过程中一个地点通常有多台流量泵工作，每一个流量泵集中的地方一般会配有一名值班人员，值班人员通过带有触摸屏的多通道流量控制器监测和控制电机驱动的工作，而工厂老板又要检测整体的工作情况，所以多个控制器又要将数据全部上传到服务器，这样就实现了数据的远程监测。
多通道流量控制器通过 CAN与微型泵电机驱动器形成总线通信，控制器通过检测实际的流量值和电机转速的反馈值，经过一系列算法的运算，计算出电机给定的速度，而驱动器接收到控制器给定的速度，通过电机上的测速装置进行闭环控制，使实际转速达到给定的速度，同时向控制器反馈实际转速。控制器把实际测到的流量值和给定的流量值通过网口上传到服务器，客户端监控软件可以在任何地点通过以太网访问到服务器，实现流量的远程监控，拥有更高权限的使用者甚至还可以控制流量的给定。
三．电机驱动器硬件设计
微处理器的正确选择，对于整个系统是至关重要的。微型泵电机驱动器的核心板以基于 Cortex-M3 内核的 STM32F103 芯片为主控芯片。Cortex-M3 内核具有低功耗，高性能，处理速度快等优点。它主要负责电机驱动算法的实现、接收来自流量控制板的控制指令并反馈当前运行状态以及在数码管上显示实际速度等，通过与外围电路的连接，最终实现需要完成的功能和指标。无刷直流电机控制系统主要包括电源部分、驱动换相电路、和转子位置获取部分。核心板主要部分的总体机构硬件框图如图所示。如图 3.1 所示。
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图 3.1 微型泵驱动器总体结构硬件框图
3.1功率驱动模块设计
本课题使用如图 3.10 的 75NF75 N 沟道 MOS 管的三相全桥方式驱动无刷直流电 机。当栅极和源极之间电压达到 15V，MOS 管就会导通。当上管导通时，对应相为 +24V，下管导通时，对应相为 0V，通过对转子在不同位置时，MOS 管相应的导通 和关断，使 U V W 之间电流流向发生切换，从而驱动电机不间断地旋转。
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图 3.10 三相全桥驱动电路
由于 MOS 管为电压驱动元件，75NF75 在栅极和源极之间的电压要达到 15V 左右才可以让 MOS 管工作在开关状态，而单片机的 IO 口输出电压为 3.3V 显然不能满 足这个要求，所以我们需要使用驱动芯片，将单片机输出高电平电压转换为 15V。 本课题采用如图 3.11 的 IR2103 作为 MOS 驱动。芯片需要连接二极管和电容共同升 压，通过电容的充放电和二极管的开通和关断，驱动后面的 MOS 管，同时，IR2103 可以在硬件上防止 MOS 管上下管同时导通，从而保护了电路不被大电流烧坏。其中，自举二极管使用开关速度更快的肖特基二极管，自举电容使用 47uF 的电解电容。
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图 3.11 MOS 驱动电路
3.2霍尔输入接口电路
位置传感器在无刷电机控制中非常重要，其检测精确与否将直接影响电机的可靠稳定运行。常用的位置传感器有光电式、电磁式、磁敏式等。位置传感器使用霍尔传感器，转子位置传感器的作用是在无刷直流电机中起到测定转子磁极的相对位置，并将测得的信号输出给逻辑开关电路，以提供正确的信息，即传感器将转子磁钢磁极的位置信息转换为电信号输送给电子换相电路，然后去控制定子绕组换相。
如图 3.20，三相霍尔分别对应单片机的输入捕获脚，输入时使用 3.3K 电阻和 220pF 电容匹配阻抗。
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图 3.20 霍尔输入电路
四．微型泵电机驱动软件设计
如图 4.1 所示，驱动板通上电后，会先初始化系统时钟配置、延时函数、LED 指示灯、ADC、电机驱动的高级定时器 TIM1 和采集霍尔的 TIM3、中断、PID 参数、 串口波特率、CAN 通信、定时器中断等配置。然后进入主循环，主循环会实现 CAN 总线数据的收发、检测电位器的值并赋值给目标速度、启动或停止电机，给 TIMx_CCR1 寄存器赋值、数码管显示。而霍尔信号的检测，换相操作，PID 算法，转速计算都是在中断函数里进行的。
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图 4.1 主程序循环框图
4.1PID调节子程序
在微型泵驱动程序的实际编写过程中，采用的是增量式PID算法，相较于位置式 PID，它没有那么大的工作量，也不存在大幅度的输出变化。PID 控制系统主要由两部分组成，第一部分是由比例、积分、微分这三者相互作用所组成的控制器。本课题使用速度电流双闭 环的控制结构，为了获得更好的静、动态性能，速度和电流两个调节器一般都采用 PI 调节。
4.2电机驱动控制流程
电机驱动程序由于实时性要求高，主要在中断里实现，本课题的电机驱动程序主要用到了 TIM1 和 TIM3 定时器中断。TIM1 使用边沿触发，即每测到霍尔状态的一次变化，就进入中断，主要用作转子换相。
4.3转子换相子程序
IR2101s 内部结构如图4.30所示，给高低侧栅极驱动输出的逻辑输入信号都是高电平有效。 霍尔，UVW 的相序：霍尔的 A、B、C 相分别对应 TIM3 的 CH3、CH2、CH1，所以在采集到霍尔信号后，要将信号按照霍 尔 A、B、C 相的顺序赋值给变量。U、V、W 相的输出信号分别由高级定时器 TIM1 的 CH3/CH3N、CH2/CH2N、CH1/CH1N 生成，因此在根据当前霍尔位置进行换相时，要把换相表中的霍尔第 0 位和第 2 位交换，同时把 U 相和 W 相对应的输出状态交换，才能正确驱动电机。
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图4.30 IR2101s 内部结构
4.4测速子程序
电机转子的转速可以使用常见的数字脉冲测量，这种测速方式最典型的方法有测频率法（M 法）和测周期法（T）法。随着检测技术的发展，出现了一种综合了 M 法和 T 法的优点的一种算法，这就是 M/T 法，简而言之，M/T 法就是在检测到转速较高的情况下采用 M 法测速，当检测到转速较低时则采用 T 法测速。
由于流量计在通过的流量小于每分钟 0.04mL 时就检测不出了，对应的电机转速为 200 转左右每分钟，电机没有必要运行在极低转速下，所以使用霍尔传感器就足够了，本课题采用 M/T 法测速，当捕获到霍尔信号，进入 TIM3 中断执行函数，当 速度低于500rpm 时，将极对数当成 1 对极来计算，速度大于或等于 500 转小于 2000 转时，将极对数当成 3 对极来计算，其他情况当 6 对极计算。为了检测到的速度尽可能稳定，对测到的速度采样三次取平均值，那么测量到的速度就等于
1000000/极对数/捕获值*60/（30/极对数） (4-1)
其中的 1000000 是因为 TIM3 定时器的频率为 1MHz，30 等于极数乘以相数。
论文作者:刘恺
论文发表刊物:《科学与技术》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/29
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