一款無刷電機控制器DIY設(shè)計方案

很早之前就想做一款無刷電機控制器，忙于工作一直沒有弄。最近有點時間畫板，打樣，焊接，調(diào)試，總算順利的轉(zhuǎn)起來。期間也遇到很多問題，上網(wǎng)查資料，自己量波形前前后后搞了差不多近一個月，（中間又出差一周）總算搞的差不多了，特意寫個總結(jié)。 ????板子外觀100*60mm 中等大小。DC 12V輸入，設(shè)計最大電流10A.（實際沒試過那么大的電機，手頭的電機也就5 6A的樣子）硬件上可以切換有感（HALL）和無感(EMF)兩種模式，外部滑動變阻器調(diào)速預(yù)留有 PWM輸入、剎車、正反轉(zhuǎn)、USB和uart等接口。 ????先來說下原理無刷電機其實就是直流電機，和傳統(tǒng)的DC電機是一樣的，只是把有刷的電滑環(huán)變成了電子換向器。

????因為少了電滑環(huán)的摩擦所以壽命靜音方面有了很大的提升，轉(zhuǎn)速也更高。

????當然難點就在如何獲取當前轉(zhuǎn)子的位置好換相，所以又分為兩種有感和無感。 ????有感就是在電機端蓋的部位加裝霍爾傳感器分別相隔30度或60度。無感就是靠檢測懸浮相的感應(yīng)電動勢過零點（后面細講）。 ????當然各有各的優(yōu)缺點，有感在低速方面好，可以頻繁啟停換相。無感的結(jié)構(gòu)簡單成本低，航模上應(yīng)用居多。 ????先說有感，電源首先被分成了3個繞組U V W這個交流電還是有區(qū)別的。 ????它只是3個h橋按一定的順序?qū)?a href="http://www.makelele.cn/analog/" target="_blank">模擬出來的，本質(zhì)還是直流電。電機靠hall位置按一定順序換相，轉(zhuǎn)速與電壓電流有關(guān)。這一點切記，不是換的越快轉(zhuǎn)的越快。（位置決定換相時刻，電壓決定轉(zhuǎn)速）一般調(diào)速就是調(diào)電壓，6步pwm方式是目前常用的。當然后續(xù)還有foc等更好算法。 ????硬件部分網(wǎng)上基本都是成熟的方案。三相H橋，H橋一般有上臂mos和下臂mos組成，如果只是簡單的做演示上臂選pmos下臂選nmos控制電路簡單直接用單片機的io就可以驅(qū)動。但是pmos低內(nèi)阻的價格高。功率上面很難做大。 ????

這也就是為什么基本所有的商業(yè)控制器全是nmos的原因。

????但是上臂用nmos存在一個問題vgs控制電壓大與vcc 4v以上才能完全導(dǎo)通。為了簡化電路采用了ir公司出的驅(qū)動ic，它內(nèi)部有自舉升壓電路。外部僅需一個續(xù)流的二極管及儲能電容即可。 ?

????有感模式控制相對簡單，3個霍爾傳感器輸出一般都是數(shù)字信號，分壓后直接接單片機io。

????當然控制方式上也就簡單很多，三個霍爾接中斷輸入，在中斷處理程序中根據(jù)組合狀態(tài)換相，程序上也沒什么復(fù)雜的。主程序一直檢測ad值，改變pwm占空比，及電流保護等。 ????如下一個典型的換相代碼。STM32 有兩個高級定時器 tim1 tim8 可以輸出4組互補型pwm，還可以設(shè)定死區(qū)時間等，使用上非常方便。

????下圖為uvw三相的霍爾檢測到的電平及w相的波形。

????下圖為 uvw三相波形及w相霍爾電平

????下圖為 w相電平， w相上臂on 下臂pwm ，w相霍爾信號。

????下圖為w相ir2304芯片輸出，上臂電壓可明顯看到已高于vcc，下臂為pwm信號

????再說說無感模式，由于沒有了霍爾，電機無法知道轉(zhuǎn)子當前的位置所以就無法換相，而感應(yīng)電動勢也只有在轉(zhuǎn)起來之后才有，所以無感模式的啟動是個難點。 ????一般方法都是分三段法：1 預(yù)定位 2 啟動 3 進入閉環(huán)反饋 ? ????正如網(wǎng)友說的江湖一層紙，戳破不值半文錢。 ??? 1. 預(yù)定為就是強制給某一相通電一段時間，讓電機定位到這個位置。占空比30-50%不要太大，可能會發(fā)熱。 ??? 2. 啟動，就是逐步的強制換相，當然要有個加速的過程，使電機轉(zhuǎn)起來。 ????這個過程太慢會抖動反轉(zhuǎn)，太快會丟步。參數(shù)需要一點點試，有點像控制步進電機。要能使電機轉(zhuǎn)的能產(chǎn)生電動勢，我也是參照的德國MK 電調(diào)的算法。 ????每次延時時間比上一次少1/25，形成一個加速的過程，直到電機完全轉(zhuǎn)起來產(chǎn)生足夠的電動勢。 ??? 3. 閉環(huán)反饋控制換相跟有感差不多一樣。

????說到感應(yīng)電動勢很多人不明白，先來說說電流，電機線圈的內(nèi)阻通常很小比如0.2歐，電機的電壓比如10v，按理來說電流100a為何電機不燒哪？ ????其實電機線圈在通電的一瞬間并不是完全導(dǎo)通的，因為有反向電動感應(yīng)勢的存在，可能有-9.8v。10v-9.8v = 0.2v /0.2 = 1A.這樣算起來電流還合理。 ????在說說那個初中學(xué)習(xí)的法拉第，當線圈切割磁場時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)右手定則，初中物理知識。