很早之前就想做一款无刷电机控制器，忙于工作一直没有弄。最近有点时间画板，打样，焊接，调试，总算顺利的转起来。期间也遇到很多问题，上网查资料，自己量波形前前后后搞了差不多近一个月，（中间又出差一周）总算搞的差不多了，特意写个总结。
板子外观100*60mm 中等大小。DC 12V输入，设计最大电流10A.（实际没试过那么大的电机，手头的电机也就5 6A的样子）硬件上可以切换有感（HALL）和无感(EMF)两种模式，外部滑动变阻器调速 预留有 PWM输入、刹车、正反转、USB和uart等接口。
先来说下原理无刷电机其实就是直流电机，和传统的DC电机是一样的，只是把有刷的电滑环变成了电子换向器。

因为少了电滑环的摩擦所以寿命静音方面有了很大的提升，转速也更高。
, z2 Y% C- ]( Y5 d( x* ]4 ~1 L7 O) n
2 z- N$ w7 M. V; a2 {$ l6 x
' [% Y( j4 ^( s4 w9 h$ h6 F当然难点就在如何获取当前转子的位置好换相，所以又分为两种有感和无感。
) ~0 f! B" ~9 j- A有感就是在电机端盖的部位加装霍尔传感器分别相隔30度或60度。无感就是靠检测悬浮相的感应电动势过零点（后面在细讲）。
# j: R6 a' I6 d  Z当然各有各的优缺点，有感在低速方面好，可以频繁启停换相。无感的结构简单成本低，航模上应用居多。
先说有感，电源首先被分成了3个绕组U V W这个交流电还是有区别的。
& L' d' l5 }& G4 y  I它只是3个h桥按一定的顺序导通模拟出来的，本质还是直流电。电机靠hall位置按一定顺序换相，转速与电压电流有关。这一点切记，不是换的越快转的越快。（位置决定换相时刻，电压决定转速）一般调速就是调电压，6步pwm方式是目前常用的。当然后续还有foc等更好算法。
硬件部分网上基本都是成熟的方案。三相H桥，H桥一般有上臂mos和下臂mos组成，如果只是简单的做演示上臂选pmos下臂选nmos控制电路简单直接用单片机的io就可以驱动。但是pmos低内阻的价格高。功率上面很难做大。
这也就是为什么基本所有的商业控制器全是nmos的原因。
但是上臂用nmos存在一个问题vgs控制电压大与vcc 4v以上才能完全导通。为了简化电路采用了ir公司出的驱动ic，它内部有自举升压电路。外部仅需一个续流的二极管及储能电容即可。


有感模式控制相对简单，3个霍尔传感器输出一般都是数字信号，分压后直接接单片机io。
3 g7 H4 H7 }' x9 U+ U* w6 D

当然控制方式上也就简单很多，三个霍尔接中断输入，在中断处理程序中根据组合状态换相，程序上也没什么复杂的。主程序 一直检测ad值，改变pwm占空比，及电流保护等。
# k. t) `6 n. f; l( L如下一个典型的换相代码。Stm32 有两个高级定时器tim1 tim8 可以输出4组互补型pwm，还可以设定死区时间等，使用上非常方便。

1. switch(step)
   
2. {
   
3. case 4: //B+ C-
   
4. /* Next step: Step 2 Configuration -------------------------------------- */
   
5. TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
   
6. TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);
   8 Y% Y7 e% w6 I
7. }

复制代码

7 @! ~1 t8 E2 }2 ]5 l: c5 f


0 H! L# L" I& y$ W


# P6 F: @1 h& j# }+ E下图为uvw三相的霍尔检测到的电平及w相的波形。
2 X8 p. z2 a* g* K
$ B' y$ C2 n2 z
3 K7 O" v& C1 s, ]) n
, Y2 p/ d) X2 O$ Z0 M+ D3 k& P- I+ W下图为 uvw三相波形及w相霍尔电平
2 I7 Q8 k, h4 r& W1 l* [: c# @1 t


下图为 w相电平， w相上臂on 下臂pwm ，w相霍尔信号。
$ v1 @* _- k0 M, ^


下图为w相ir2304芯片输出，上臂电压可明显看到已高于vcc，下臂为pwm信号

& L9 s0 N" J, e* e5 b7 @' h
+ T+ ?  S3 h- e7 U( b8 A
在说说无感模式，由于没有了霍尔，电机无法知道转子当前的位置所以就无法换相，而感应电动势也只有在转起来之后才有，所以无感模式的启动是个难点。
一般方法都是分三段法：1 预定位 2 启动 3 进入闭环反馈
正如网友说的江湖一层纸，戳破不值半文钱。
5 ^! Y& m9 H' ]1. 预定为就是强制给某一相通电一段时间，让电机定位到这个位置。占空比30-50%不要太大，可能会发热。
* q3 W/ ]% t. g! a* P) d, ~- d2. 启动，就是逐步的强制换相，当然要有个加速的过程，使电机转起来。
这个过程太慢会抖动反转，太快会丢步。参数需要一点点试，有点像控制步进电机。要能使电机转的能产生电动势，我也是参照的德国MK 电调的算法。
% K6 c4 _( V/ j2 W5 T每次延时时间比上一次少1/25，形成一个加速的过程，直到电机完全转起来产生足够的电动势。
9 x3 @% {* V' R% p- r3 Y# Z3 t3. 闭环反馈控制换相跟有感差不多一样。

1. speed_duty=30; //30% start
   $ b' I3 [, r0 w2 k" c# Z
2. BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相
   
3. Delay_MS(200);
   
4. 
   + b/ \  k. o/ @# h
5. speed_duty=pwm;
   . ]( Y3 K5 ?8 i, w. Q3 C  ^" {2 N# K
6. timer = 300;
   
7. while(1)
   
8. {
   3 J. o1 ]2 `( J! E
9. for(i=0;i<timer; i++)
   8 m5 R9 c4 i( K; d0 a8 e
10. {
    
11. Delay_US(120);   //等待
    
12. }
    
13. timer-= timer/25+1;
    ) n% Z4 r4 J' y# d* }. {8 I
14. if(timer < 25)
    0 F7 o( a/ }; f# v, B$ c  q
15. {   
    0 E) u- R% ?% g6 J* C0 [! t) v* B7 ]
16. if(TEST_MANUELL)
    $ m$ Z/ w# \# a
17. {
    
18. timer = 25;   //开环强制换向
    0 o4 j+ k2 p0 @7 k
19. }
    : ~, q2 R0 m4 J/ l  |4 I, A
20. else
    
21. {
    
22. bldc_dev.motor_state=RUN;
    
23. break;
    5 a6 a6 i5 \- `# K$ ^
24. }   
    
25. }
    
26. Phase++;
    - E; v! B3 C/ N, T
27. Phase %= 6;
    2 G- V, O0 [  L% ^9 x/ Y' E) }
28. BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //
    
29. }
    8 |! I8 h6 Z4 V, G9 M6 l& c2 S/ v

复制代码

( ]2 q% m+ D, `4 q- m说到感应电动势很多人不明白，先来说说电流，电机线圈的内阻通常很小比如0.2欧，电机的电压比如10v，按理来说电流100a为何电机不烧哪？
3 m- f, P2 S2 T1 I1 {, ?+ M其实电机线圈在通电的一瞬间并不是完全导通的，因为有反向电动感应势的存在，可能有-9.8v。10v-9.8v = 0.2v /0.2 = 1A.这样算起来电流还合理。
: B# a3 {6 g, l1 B在说说那个初中学习的法拉第 ，当线圈切割磁场时会产生感应电动势，根据右手定则。。。。。。。。不懂的自行上网搜。

如下图当ac相在通电12v的情况下，静止状态下正中间中性点理论为6v，但是转起来就不一定了，因为b相实际是在切割磁场，是会产生电动势的。而电动势的大小正负取决与当前在磁场ns极的位置。当切割ns时为-1，切割sn时为1，平行时为0.

# T5 V8 b2 I% L6 _' T3 A6 E利用这一特性不就刚好可以获得转子的位置吗？首先检测电路网上已经一大很成熟了。如下图，当然很多时候需要在4.7k对地的电阻上并一个100nf的电容，做一个低通滤波。也可以在软件中做滤波处理。
* R* R0 d9 O+ n4 c
我们所要做的就是检测这个悬浮相的电动势过零点。网上常用的两种方法：1 单片机ad采集；2 比较器比较。我选择了比较器lm339价格已经很便宜了，在高速上比ad有明显优势，只要比较cin bin ain 与n点的压差即可获得零点。
1 \: Y) k9 ^0 L! A% g! t: ?理想很完美，现实很残酷，实际中根本得不到这么完美的波形。
7 s( t7 R, Q9 p% b' Z% c% j) k如下图，这个已经是比较好的了，还是有很多毛刺。这个给单片机中断，肯定一大堆问题，严重的换错相烧mos管。

2 _2 _& {9 x' r; d
6 V- f/ l2 S3 z* \$ K- u3 H$ s
! b/ m. y) U( _5 T
3 r1 y3 [, ?6 @
为什么会有这些毛刺呢，有些还挺有规律。参考了网上的介绍，这中间还有一个叫消磁的东西。

) K2 ^& V) o5 n$ C$ T+ m7 g8 k" U9 e
原理不深究了，反正时间很短，软件上做一个滤波消掉就可以了。
进入中断函数后做如下处理 ，定时器的中断我暂时用的20us。

1. const unsigned int FilterNums = 0xff;
   
2. static unsigned int nums =0;
   
3. static unsigned int Queue_UStatus =0;
   
4. static unsigned int Queue_VStatus =0;
   # b1 ~/ o4 c2 @2 s. E8 T
5. static unsigned int Queue_WStatus =0;
   
6. static unsigned char EMF_SVal =0;
   3 r5 N0 R/ S$ O4 K3 }0 G$ q
7. unsigned char Filter_U_Status=0;
   8 f- t' O: p/ _8 w
8. unsigned char Filter_V_Status=0;
   
9. unsigned char Filter_W_Status=0;
   
10. unsigned char EMF_Val=0;
    7 m: O# t6 Q! h& b- E& x$ s- B8 O
11. unsigned int status_h;
    , [4 t) X0 k/ z
12. unsigned int status_l;
    % @+ k+ n5 k! f9 V. D* z
13. unsigned int Delay30deg =0;
    " X: q: a( O; S( l, U( M9 m
14. 
    3 Y0 O- l* ^' b, g) W; G
15. /* 清除中断标志位 */
    
16. if ( TIM_GetITStatus(TIM3 , TIM_IT_Update) != RESET )
    
17. {
    
18. TIM_ClearITPendingBit(TIM3 , TIM_FLAG_Update);

复制代码

" ?' h# F: ]8 `7 L
& T9 s5 L- ?5 |% R) I% d" n/ X

( {7 w( s. k+ @" c* n
# i0 j' A! W% C$ P( Q' |
) |- ]4 J% L; X# G- ]至于网上说检测到过零点后，延时30度换相，对电源效率有影响。我试了下，好像没什么明显的差异。也有人说在大功率的电机下不延时反而更平滑等等。真实怎样有待各位实际实验了。
2 j4 u$ \, i0 S* n7 P' E最后秀几张转起来的照片
: P2 y$ H9 y- V" S! |$ h" R* Z

1 l+ E2 U2 X; d& A" _! e
0 M, v, m  r# H9 E9 M6 A8 V
, t* ^* M$ x. }' d) n4 ^硬盘电机 无感模式
) N; f5 W5 a: T: }

' d8 M% n2 v1 J* o# I7 U电动工具电机 有感模式


2 U9 _9 W3 h& H加装散热片的样子
7 S& I% E) ?: a; C

楼主真高产，涉及领域也很多

子曰好人 发表于 2020-3-9 08:59
楼主真高产，涉及领域也很多

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