STM32驱动无刷直流电机：原理图与驱动程序实现

一、核心结论

STM32驱动无刷直流电机（BLDC）的核心架构为：STM32微控制器（如F103、F407）通过高级定时器生成互补PWM信号，驱动三相桥逆变电路，结合霍尔传感器（或反电动势检测）实现转子位置检测，通过FOC（磁场定向控制）或六步换相法控制电机转速与扭矩。以下是完整的原理图设计、驱动程序实现及关键优化策略。

二、硬件原理图设计（核心模块）

无刷直流电机的驱动系统主要由STM32主控、三相桥逆变电路、霍尔传感器接口、电流采样电路、电源管理模块组成，以下是各模块的详细设计：

1. 三相桥逆变电路（核心功率级）

• 电路拓扑：采用三相全桥逆变电路（6个MOSFET/IGBT组成），分为上桥臂（UH、VH、WH）和下桥臂（UL、VL、WL），分别由STM32的高级定时器（如TIM1）的互补PWM通道驱动。

• 关键元件：

  • MOSFET：选择高开关频率、低导通电阻的器件（如IRFS3607，耐压100V、电流360A）；

  • 驱动芯片：采用IR2110S（半桥驱动），用于放大STM32的逻辑信号，驱动MOSFET的栅极，同时提供死区时间（防止上下桥臂直通）；

  • 自举电路：IR2110S的VB引脚通过电容（如100nF）连接至VS，用于生成高端MOSFET的栅极驱动电压（需大于MOSFET的VGS(th)，如10V）。

• 原理图细节：

  • 上桥臂驱动：IR2110S的HIN引脚连接STM32的PWM输出（如TIM1_CH1），LIN引脚接地；

  • 下桥臂驱动：IR2110S的LIN引脚连接STM32的PWM输出（如TIM1_CH1N），HIN引脚接地；

  • 续流二极管：并联在MOSFET两端（如FR107），用于吸收电机绕组的反电动势，保护MOSFET。

2. 霍尔传感器接口（位置检测）

• 电路拓扑：霍尔传感器（如A1120，开关型）安装在电机转子附近，输出三路信号（H1、H2、H3），连接至STM32的通用定时器（如TIM2）的输入捕获通道。

• 关键设计：

  • 霍尔电源：采用5V稳压电源（如LM1117-5.0），为霍尔传感器供电；

  • 信号调理：霍尔输出信号通过RC滤波（如1kΩ电阻+100nF电容），去除高频噪声；

  • 定时器配置：STM32的TIM2设置为输入捕获模式，捕获霍尔信号的上升沿，用于计算转子位置（六步换相法）。

3. 电流采样电路（闭环控制）

• 电路拓扑：采用单电阻采样法（在直流母线的负极串联一个小电阻，如0.01Ω/2W），通过运放（如LM358）放大采样电压，连接至STM32的ADC通道（如PA0）。

• 关键设计：

  • 采样电阻：选择低电感、高精度的康铜丝电阻，减少高频噪声；

  • 运放放大：采用差分放大电路（增益10倍），将采样电压放大至ADC的输入范围（0-3.3V）；

  • 滤波：在运放输出端并联100nF电容，去除高频噪声。

4. 电源管理模块

• 输入电源：采用24V直流电源（适配大多数BLDC电机），通过LM2596降压至12V（给MOSFET驱动电路供电），再通过AMS1117-3.3降压至3.3V（给STM32供电）。

• 保护电路：

  • 输入保险丝：串联在24V输入端（如5A），防止过流损坏电路；

  • TVS管：并联在24V输入端（如P6KE15CA），吸收浪涌电压；

  • 去耦电容：在STM32的VDD引脚附近并联100nF陶瓷电容（高频去耦）和10μF电解电容（低频去耦）。

三、驱动程序实现（核心代码与逻辑）

STM32驱动BLDC的软件实现主要包括初始化配置（HAL库）、PWM生成、霍尔信号处理、FOC控制算法、故障保护，以下是基于STM32F103的代码实现（使用HAL库）：

1. 初始化配置（时钟、GPIO、定时器、ADC）

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_hal.h"

// 定义引脚
#define TIM1_CH1_PIN GPIO_PIN_8   // PA8（TIM1_CH1）
#define TIM1_CH1_PORT GPIOA
#define HALL_H1_PIN GPIO_PIN_0    // PA0（HALL_H1）
#define HALL_H1_PORT GPIOA

// 全局变量
TIM_HandleTypeDef htim1;
ADC_HandleTypeDef hadc1;
volatile uint8_t hall_state = 0;  // 霍尔状态

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();  // 系统时钟配置（72MHz）
    MX_GPIO_Init();        // GPIO初始化
    MX_TIM1_Init();        // TIM1初始化（PWM）
    MX_ADC1_Init();        // ADC1初始化（电流采样）
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);  // 启动TIM1 PWM
    HAL_ADC_Start_IT(&hadc1, ADC1_CHANNEL_0);  // 启动ADC中断（电流采样）
    while (1) {
        // 主循环：处理FOC控制、霍尔信号
    }
}

// TIM1初始化（PWM）
void MX_TIM1_Init(void) {
    TIM_OC_InitTypeDef TIM_OC_InitStruct = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef TIM_MasterConfigStruct = {0};

    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 71;                  // 预分频71，时钟1MHz（72MHz/72）
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
    htim1.Init.Period = 1999;                   // 自动重载值1999，PWM频率5kHz（1MHz/2000）
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);

    // 配置TIM1_CH1（PWM输出）
    TIM_OC_InitStruct.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    TIM_OC_InitStruct.Pulse = 1000;             // 占空比50%（1000/2000）
    TIM_OC_InitStruct.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    TIM_OC_InitStruct.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &TIM_OC_InitStruct, TIM_CHANNEL_1);

    // 配置死区时间（1.5μs）
    TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTR_InitStruct = {0};
    TIM_BDTR_InitStruct.DeadTime = 0x0F;        // 死区时间1.5μs（0.1μs/单位）
    TIM_BDTR_InitStruct.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
    TIM_BDTR_InitStruct.DeadTimeCompensation = TIM_DEADTIMECOMPENSATION_DISABLE;
    HAL_TIMEx_ConfigDeadTime(&htim1, &TIM_BDTR_InitStruct);

    // 配置主从模式（TIM1作为主定时器）
    TIM_MasterConfigStruct.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
    TIM_MasterConfigStruct.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &TIM_MasterConfigStruct);
}

// ADC1初始化（电流采样）
void MX_ADC1_Init(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ADC_CONTINUOUS_CONV_ENABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = ADC_DISCONTINUOUS_CONV_DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);

    // 配置ADC通道0（PA0）
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

// GPIO初始化
void MX_GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 使能GPIO时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // TIM1_CH1（PA8）配置为复用推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pin = TIM1_CH1_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(TIM1_CH1_PORT, &GPIO_InitStruct);

    // HALL_H1（PA0）配置为浮空输入
    GPIO_InitStruct.Pin = HALL_H1_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(HALL_H1_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

2. 霍尔信号处理（获取转子位置）

霍尔传感器输出三路信号（H1、H2、H3），通过定时器输入捕获获取霍尔状态，判断转子位置（六步换相法）。

// 霍尔状态解码（H1、H2、H3组合）
uint8_t Get_Hall_State(void) {
    uint8_t h1 = HAL_GPIO_ReadPin(HALL_H1_PORT, HALL_H1_PIN);
    uint8_t h2 = HAL_GPIO_ReadPin(HALL_H2_PORT, HALL_H2_PIN);
    uint8_t h3 = HAL_GPIO_ReadPin(HALL_H3_PORT, HALL_H3_PIN);
    return (h1 << 2) | (h2 << 1) | h3;  // 组合为3位状态（0-7）
}

// TIM2中断服务函数（霍尔信号捕获）
void TIM2_IRQHandler(void) {
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);
}

// TIM2输入捕获回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Instance == TIM2) {
        hall_state = Get_Hall_State();  // 获取霍尔状态
        // 根据霍尔状态判断换相（六步换相法）
        switch (hall_state) {
            case 0b001:  // H1=1, H2=0, H3=0 → 换相到状态1
                HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);  // 开启U相上桥臂
                HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_2);   // 关闭V相上桥臂
                break;
            case 0b011:  // H1=1, H2=1, H3=0 → 换相到状态2
                HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_1);   // 关闭U相上桥臂
                HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);  // 开启V相上桥臂
                break;
            // 其他状态类似处理
            default:
                break;
        }
    }
}

3. FOC控制算法（磁场定向控制）

FOC控制是BLDC电机的高性能控制方法，通过Clarke变换（3相→2相）、Park变换（静止→旋转）、SVPWM生成（空间矢量脉宽调制）实现转矩与速度的精确控制。

// Clarke变换（3相→2相）
typedef struct {
    float a;  // α轴电流
    float b;  // β轴电流
} Clarke_t;

Clarke_t Clarke_Transform(float ia, float ib, float ic) {
    Clarke_t clarke;
    clarke.a = ia;
    clarke.b = (ib - ic) / sqrt(3);  // β轴电流计算公式
    return clarke;
}

// Park变换（静止→旋转）
typedef struct {
    float d;  // d轴电流（励磁分量）
    float q;  // q轴电流（转矩分量）
} Park_t;

Park_t Park_Transform(Clarke_t clarke, float theta) {
    Park_t park;
    park.d = clarke.a * cos(theta) + clarke.b * sin(theta);  // d轴电流计算公式
    park.q = -clarke.a * sin(theta) + clarke.b * cos(theta); // q轴电流计算公式
    return park;
}

// SVPWM生成（空间矢量脉宽调制）
void SVPWM_Generate(Park_t park, float vdc) {
    float ud = park.d;  // d轴电压参考
    float uq = park.q;  // q轴电压参考
    // 反Park变换（旋转→静止）
    float ua = ud;
    float ub = -ud * sin(theta) + uq * cos(theta);
    float uc = -ud * cos(theta) - uq * sin(theta);
    // SVPWM占空比计算（基于ua、ub、uc）
    float ta = (ua + 1) / 2 * vdc;  // TA占空比
    float tb = (ub + 1) / 2 * vdc;  // TB占空比
    float tc = (uc + 1) / 2 * vdc;  // TC占空比
    // 设置PWM占空比（TIM1_CH1、TIM1_CH2、TIM1_CH3）
    TIM1->CCR1 = ta * (TIM1->ARR + 1);
    TIM1->CCR2 = tb * (TIM1->ARR + 1);
    TIM1->CCR3 = tc * (TIM1->ARR + 1);
}

4. 故障保护（过流、过压、欠压）

过流保护：通过ADC采样电流，当电流超过阈值（如5A）时，关闭PWM输出，点亮故障LED。

// ADC中断服务函数（电流采样）
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {
    if (hadc->Instance == ADC1) {
        float current = (HAL_ADC_GetValue(hadc) * 3.3 / 4096) * (100 / 0.01);  // 电流计算（0-100A）
        if (current > 5.0) {  // 过流阈值5A
            HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_1);  // 关闭PWM
            HAL_GPIO_WritePin(LED_PORT, LED_PIN, GPIO_PIN_SET);  // 点亮故障LED
        }
    }
}

参考代码 STM32驱动无刷直流电机包括原理图和驱动程序 www.youwenfan.com/contentcnp/112793.html

四、关键优化策略

1. PWM频率优化：选择合适的PWM频率（如5kHz），避免过高频率导致MOSFET开关损耗增加，过低频率导致电流纹波增大。

2. 死区时间优化：根据MOSFET的VGS(th)（如10V）和驱动电路的延迟，设置合适的死区时间（如1.5μs），防止上下桥臂直通。

3. 电流采样优化：采用差分放大电路和RC滤波，减少电流采样的噪声，提高控制精度。

4. FOC参数优化：调整PI控制器的参数（如Kp=0.1，Ki=0.05），优化转矩响应和稳态误差。

五、调试与验证

1. 硬件调试：使用万用表测量电源电压（如12V、3.3V）是否正常，使用示波器测量PWM波形（如5kHz、50%占空比）是否正确。

2. 软件调试：使用Keil MDK的Debug功能，查看霍尔状态（如hall_state）、电流采样值（如current）是否正确。

3. 性能测试：测量电机的转速（如用编码器）、转矩（如用扭矩传感器），验证FOC控制的精度（如转速误差<1%，转矩误差<5%）。

六、总结

STM32驱动BLDC电机的核心是硬件电路的正确设计（三相桥、驱动芯片、霍尔传感器）和软件算法的优化（FOC、霍尔处理、故障保护）。通过本文的原理图和代码实现，开发者可以快速搭建BLDC电机驱动系统，并根据实际需求调整参数（如PWM频率、PI参数），实现高性能的电机控制。