很早之前就想做一款無刷電機(jī)控制器，但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)起來了。不過，期間也遇到了很多問題，上網(wǎng)查資料，自己量波形，前前后后搞了差不多將近一個(gè)月（中間又出差一周），總算搞得差不多了，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。

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)（后面再細(xì)講）。

無論有感，還是無感，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uvw，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)M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)的就越快（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方式是目前比較常用的。當(dāng)然，后續(xù)還有foc等更好的算法。

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pmos低內(nèi)阻的價(jià)格高，功率上面很難做大。而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，以及電流保護(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和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，以及w相的波形。

下圖為uvw三相波形，以及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。

接下來，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：預(yù)定位、啟動、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)定位：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：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、進(jìn)入閉環(huán)反饋：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)不燒呢？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。

再說說初中學(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……不懂的自行上網(wǎng)搜。

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)取決于當(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)子的位置了。

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。而我們所要做的，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：單片機(jī)ad采集、比較器比較。

此次我選擇了比較器，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，但還是有很多毛刺。這個(gè)給單片機(jī)中斷，肯定一大堆問題，嚴(yán)重的換錯相燒mos管。

為什么會有這些毛刺呢？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。我試了一下，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。到底真實(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：

（硬盤電機(jī)，無感模式）

（電動工具電機(jī)，有感模式）

（裝散熱片的樣子）

-END-

 

什么是移相全橋？12種工作模態(tài)全解析

 

美如畫！電廠各類設(shè)備原理動圖，看懂你也是大牛！

 

跪了！機(jī)房布線的最高境界……

（免責(zé)聲明：整理本文出于傳播相關(guān)技術(shù)知識，版權(quán)歸原作者所有。）