[導讀]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，調試，總算順利的轉起來。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。板子外觀100*60mm中等大小。DC12V輸入，設...
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，調試，總算順利的轉起來。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。
板子外觀100*60mm 中等大小。DC 12V輸入，設計最大電流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，外部滑動變阻器調速 預留有 PWM輸入、剎車、正反轉、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，轉速也更高。當然難點就在如何獲取當前轉子的位置好換相，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電動勢過零點（后面在細講）。
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。無感的結構簡單成本低，航模上應用居多。
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橋按一定的順序導通模擬出來的，本質還是直流電。電機靠hall位置按一定順序換相，轉速與電壓電流有關。這一點切記，不是換的越快轉的越快。（位置決定換相時刻，電壓決定轉速）一般調速就是調電壓，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以上才能完全導通。為了簡化電路采用了ir公司出的驅動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，還可以設定死區(qū)時間等，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
在說說無感模式，由于沒有了霍爾，電機無法知道轉子當前的位置所以就無法換相，而感應電動勢也只有在轉起來之后才有，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，使電機轉起來。
這個過程太慢會抖動反轉，太快會丟步。參數(shù)需要一點點試，有點像控制步進電機。要能使電機轉的能產(chǎn)生電動勢，我也是參照的德國MK 電調的算法。
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。
speed_duty=30; //30% startBLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相Delay_MS(200);
speed_duty=pwm;timer = 300;while(1){for(i=0;i
說到感應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通的，因為有反向電動感應勢的存在，可能有-9.8v。10v-9.8v = 0.2v /0.2 = 1A.這樣算起來電流還合理。
在說說那個初中學習的法拉第 ，當線圈切割磁場時會產(chǎn)生感應電動勢，根據(jù)右手定則。。。。。。。。不懂的自行上網(wǎng)搜。如下圖當ac相在通電12v的情況下，靜止狀態(tài)下正中間中性點理論為6v，但是轉起來就不一定了，因為b相實際是在切割磁場，是會產(chǎn)生電動勢的。而電動勢的大小正負取決與當前在磁場ns極的位置。當切割ns時為-1，切割sn時為1，平行時為0.
利用這一特性不就剛好可以獲得轉子的位置嗎？首先檢測電路網(wǎng)上已經(jīng)一大很成熟了。如下圖，當然很多時候需要在4.7k對地的電阻上并一個100nf的電容，做一個低通濾波。也可以在軟件中做濾波處理。我們所要做的就是檢測這個懸浮相的電動勢過零點。網(wǎng)上常用的兩種方法：1 單片機ad采集；2 比較器比較。我選擇了比較器lm339價格已經(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點的壓差即可獲得零點。
理想很完美，現(xiàn)實很殘酷，實際中根本得不到這么完美的波形。
如下圖所示，這個已經(jīng)是比較好的了，還是有很多毛刺。這個給單片機中斷，肯定一大堆問題，嚴重的換錯相燒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，這中間還有一個叫消磁的東西。
原理不深究了，反正時間很短，軟件上做一個濾波消掉就可以了。
進入中斷函數(shù)后做如下處理 ，定時器的中斷我暫時用的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;
/* 清除中斷標志位 */if ( TIM_GetITStatus(TIM3 , TIM_IT_Update) != RESET ){TIM_ClearITPendingBit(TIM3 , TIM_FLAG_Update);
至于網(wǎng)上說檢測到過零點后，延時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下不延時反而更平滑等等。真實怎樣有待各位實際實驗了。
最后秀幾張轉起來的照片
硬盤電機 無感模式
電動工具電機 有感模式
加裝散熱片的樣子
來源：網(wǎng)絡版權歸原作者所有，如有侵權，請聯(lián)系刪除。
板子外觀100*60mm 中等大小。DC 12V輸入，設計最大電流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，外部滑動變阻器調速 預留有 PWM輸入、剎車、正反轉、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，轉速也更高。當然難點就在如何獲取當前轉子的位置好換相，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電動勢過零點（后面在細講）。
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。無感的結構簡單成本低，航模上應用居多。
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橋按一定的順序導通模擬出來的，本質還是直流電。電機靠hall位置按一定順序換相，轉速與電壓電流有關。這一點切記，不是換的越快轉的越快。（位置決定換相時刻，電壓決定轉速）一般調速就是調電壓，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以上才能完全導通。為了簡化電路采用了ir公司出的驅動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，還可以設定死區(qū)時間等，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
在說說無感模式，由于沒有了霍爾，電機無法知道轉子當前的位置所以就無法換相，而感應電動勢也只有在轉起來之后才有，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，使電機轉起來。
這個過程太慢會抖動反轉，太快會丟步。參數(shù)需要一點點試，有點像控制步進電機。要能使電機轉的能產(chǎn)生電動勢，我也是參照的德國MK 電調的算法。
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。
speed_duty=30; //30% startBLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相Delay_MS(200);
speed_duty=pwm;timer = 300;while(1){for(i=0;i
說到感應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通的，因為有反向電動感應勢的存在，可能有-9.8v。10v-9.8v = 0.2v /0.2 = 1A.這樣算起來電流還合理。
在說說那個初中學習的法拉第 ，當線圈切割磁場時會產(chǎn)生感應電動勢，根據(jù)右手定則。。。。。。。。不懂的自行上網(wǎng)搜。
如下圖當ac相在通電12v的情況下，靜止狀態(tài)下正中間中性點理論為6v，但是轉起來就不一定了，因為b相實際是在切割磁場，是會產(chǎn)生電動勢的。而電動勢的大小正負取決與當前在磁場ns極的位置。當切割ns時為-1，切割sn時為1，平行時為0.利用這一特性不就剛好可以獲得轉子的位置嗎？首先檢測電路網(wǎng)上已經(jīng)一大很成熟了。如下圖，當然很多時候需要在4.7k對地的電阻上并一個100nf的電容，做一個低通濾波。也可以在軟件中做濾波處理。
我們所要做的就是檢測這個懸浮相的電動勢過零點。網(wǎng)上常用的兩種方法：1 單片機ad采集；2 比較器比較。我選擇了比較器lm339價格已經(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點的壓差即可獲得零點。理想很完美，現(xiàn)實很殘酷，實際中根本得不到這么完美的波形。
如下圖所示，這個已經(jīng)是比較好的了，還是有很多毛刺。這個給單片機中斷，肯定一大堆問題，嚴重的換錯相燒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，這中間還有一個叫消磁的東西。
原理不深究了，反正時間很短，軟件上做一個濾波消掉就可以了。進入中斷函數(shù)后做如下處理 ，定時器的中斷我暫時用的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;
/* 清除中斷標志位 */if ( TIM_GetITStatus(TIM3 , TIM_IT_Update) != RESET ){TIM_ClearITPendingBit(TIM3 , TIM_FLAG_Update);
至于網(wǎng)上說檢測到過零點后，延時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下不延時反而更平滑等等。真實怎樣有待各位實際實驗了。
最后秀幾張轉起來的照片
硬盤電機 無感模式電動工具電機 有感模式加裝散熱片的樣子來源：網(wǎng)絡版權歸原作者所有，如有侵權，請聯(lián)系刪除。
下載文檔
