做一款无刷电机控制器，写个总结

geren2014

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。

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。

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。
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）。
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。
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。

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。
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。
switch(step)
{
case 4: //B+ C-
/* Next step: Step 2 Configuration -------------------------------------- */
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);


}
下图为uvw三相的霍尔检测到的电平及w相的波形。

下图为 uvw三相波形及w相霍尔电平

下图为 w相电平， w相上臂on 下臂pwm ，w相霍尔信号。

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

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。
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。
2. 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。
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。
3. 闭环反馈控制换相跟有感差不多一样。
speed_duty=30; //30% start
BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相
Delay_MS(200);
speed_duty=pwm;
timer = 300;
while(1)
{
for(i=0;i<timer; i++)
{
Delay_US(120); //等待
}
timer-= timer/25+1;
if(timer < 25)
{
if(TEST_MANUELL)
{
timer = 25; //开环强制换向
}
else
{
bldc_dev.motor_state=RUN;
break;
}
}
Phase++;
Phase %= 6;
BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //
}
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？
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。
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.

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。

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。

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。
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。


为什么会有这些毛刺哪，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。

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。
const unsigned int FilterNums = 0xff;
static unsigned int nums =0;
static unsigned int Queue_UStatus =0;
static unsigned int Queue_VStatus =0;
static unsigned int Queue_WStatus =0;
static unsigned char EMF_SVal =0;
unsigned char Filter_U_Status=0;
unsigned char Filter_V_Status=0;
unsigned char Filter_W_Status=0;
unsigned char EMF_Val=0;
unsigned int status_h;
unsigned int status_l;
unsigned int Delay30deg =0;
/* 清除中断标志位 */
if ( TIM_GetITStatus(TIM3 , TIM_IT_Update) != RESET )
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM3 , TIM_FLAG_Update);


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。
最后秀几张转起来的照片


硬盘电机 无感模式

电动工具电机 有感模式

加装散热片的样子