一款無刷電機(jī)控制器DIY設(shè)計(jì)方案

很早之前就想做一款無刷電機(jī)控制器，忙于工作一直沒有弄。最近有點(diǎn)時(shí)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(gè)月，（中間又出差一周）總算搞的差不多了，特意寫個(gè)總結(jié)。 ????板子外觀100*60mm 中等大小。DC 12V輸入，設(shè)計(jì)最大電流10A.（實(shí)際沒試過那么大的電機(jī)，手頭的電機(jī)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(jī)其實(shí)就是直流電機(jī)，和傳統(tǒng)的DC電機(jī)是一樣的，只是把有刷的電滑環(huán)變成了電子換向器。

????因?yàn)樯倭穗娀h(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(dāng)然難點(diǎn)就在如何獲取當(dāng)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(jī)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(diǎn)（后面細(xì)講）。 ????當(dāng)然各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，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(gè)繞組U V W這個(gè)交流電還是有區(qū)別的。 ????它只是3個(gè)h橋按一定的順序?qū)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬出來的，本質(zhì)還是直流電。電機(jī)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(diǎn)切記，不是換的越快轉(zhuǎn)的越快。（位置決定換相時(shí)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(dāng)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(jī)的io就可以驅(qū)動。但是pmos低內(nèi)阻的價(jià)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(gè)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(gè)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(gè)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(jī)io。

????當(dāng)然控制方式上也就簡單很多，三個(gè)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(hù)等。 ????如下一個(gè)典型的換相代碼。STM32 有兩個(gè)高級定時(shí)器 tim1 tim8 可以輸出4組互補(bǔ)型pwm，還可以設(shè)定死區(qū)時(shí)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(jī)無法知道轉(zhuǎn)子當(dāng)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(gè)難點(diǎn)。 ????一般方法都是分三段法：1 預(yù)定位 2 啟動 3 進(jìn)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(qiáng)制給某一相通電一段時(shí)間，讓電機(jī)定位到這個(gè)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(qiáng)制換相，當(dāng)然要有個(gè)加速的過程，使電機(jī)轉(zhuǎn)起來。 ????這個(gè)過程太慢會抖動反轉(zhuǎn)，太快會丟步。參數(shù)需要一點(diǎn)點(diǎn)試，有點(diǎn)像控制步進(jìn)電機(jī)。要能使電機(jī)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(shí)時(shí)間比上一次少1/25，形成一個(gè)加速的過程，直到電機(jī)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(jī)線圈的內(nèi)阻通常很小比如0.2歐，電機(jī)的電壓比如10v，按理來說電流100a為何電機(jī)不燒哪？ ????其實(shí)電機(jī)線圈在通電的一瞬間并不是完全導(dǎo)通的，因?yàn)橛蟹聪螂妱痈袘?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(gè)初中學(xué)習(xí)的法拉第，當(dāng)線圈切割磁場時(shí)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)右手定則，初中物理知識。

????如下圖當(dāng)ac相在通電12v的情況下，靜止?fàn)顟B(tài)下正中間中性點(diǎn)理論為6v，但是轉(zhuǎn)起來就不一定了，因?yàn)閎相實(shí)際是在切割磁場，是會產(chǎn)生電動勢的。而電動勢的大小正負(fù)取決與當(dāng)前在磁場ns極的位置。當(dāng)切割ns時(shí)為-1，切割sn時(shí)為1，平行時(shí)為0.

????利用這一特性不就剛好可以獲得轉(zhuǎn)子的位置嗎？ ????首先檢測電路網(wǎng)上已經(jīng)一大很成熟了。 ????如下圖，當(dāng)然很多時(shí)候需要在4.7k對地的電阻上并一個(gè)100nf的電容，做一個(gè)低通濾波。也可以在軟件中做濾波處理。

????我們所要做的就是檢測這個(gè)懸浮相的電動勢過零點(diǎn)。 ????網(wǎng)上常用的兩種方法：1 單片機(jī)ad采集；2 比較器比較。我選擇了比較器lm339價(jià)格已經(jīng)很便宜了，在高速上比ad有明顯優(yōu)勢，只要比較cin bin ain 與n點(diǎn)的壓差即可獲得零點(diǎn)。

????理想很完美，現(xiàn)實(shí)很殘酷，實(shí)際中根本得不到這么完美的波形。
????如下圖，這個(gè)已經(jīng)是比較好的了，還是有很多毛刺。這個(gè)給單片機(jī)中斷，肯定一大堆問題，嚴(yán)重的換錯(cuò)相燒MOS管。

????為什么會有這些毛刺哪，有些還挺有規(guī)律。 ????參考了網(wǎng)上的介紹，這中間還有一個(gè)叫消磁的東西。

????原理不深究了，反正時(shí)間很短，軟件上做一個(gè)濾波消掉就可以了。 ????進(jìn)入中斷函數(shù)后做如下處理，定時(shí)器的中斷我暫時(shí)用的20us。

????至于網(wǎng)上說檢測到過零點(diǎn)后，延時(shí)30度換相，對電源效率有影響。我試了下，好像沒什么明顯的差異。也有人說在大功率的電機(jī)下不延時(shí)反而更平滑等等。真實(shí)怎樣有待各位實(shí)際實(shí)驗(yàn)了。 ????最后秀幾張轉(zhuǎn)起來的照片。