基于靈動(dòng)單片機(jī)的BLDC開源方案
[導(dǎo)讀]“簡(jiǎn)介：以上開源項(xiàng)目經(jīng)過逐飛的精心設(shè)計(jì)和代碼編寫，真實(shí)可靠，特別拍攝了一個(gè)演示視頻，視頻中通過旋鈕調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通過按鍵切換方向，通過屏幕顯示轉(zhuǎn)速，可能看不太清，但聽聲音應(yīng)該能感受到它的澎湃動(dòng)力，視頻如下見本文后面。關(guān)鍵詞：BLDC，無刷電機(jī)，MM32，SeekFree01前??言?...
“簡(jiǎn) 介： 以上開源項(xiàng)目經(jīng)過逐飛的精心設(shè)計(jì)和代碼編寫，真實(shí)可靠，特別拍攝了一個(gè)演示視頻，視頻中通過旋鈕調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通過按鍵切換方向，通過屏幕顯示轉(zhuǎn)速，可能看不太清，但聽聲音應(yīng)該能感受到它的澎湃動(dòng)力，視頻如下見本文后面。
關(guān)鍵詞：BLDC，無刷電機(jī)，MM32，SeekFree
01前 言
眾所周知，第十七屆全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽有兩個(gè)組別允許使用無刷電機(jī)，其中就包含極速越野組，允許將L車原有的540有刷電機(jī)更換為無刷電機(jī)，且無刷電機(jī)不指定，給了同學(xué)們新的選擇。的確，無刷電機(jī)帶來的性能提升肉眼可見，但其實(shí)540也不慢，使用也簡(jiǎn)單，所以如果新手選擇了這個(gè)組別，也可以先從有刷調(diào)起，等其他部分都做到不錯(cuò)的階段了，再換無刷來提升整個(gè)作品的競(jìng)爭(zhēng)力也不遲。畢竟無刷的使用也帶來了新的挑戰(zhàn)。
規(guī)則發(fā)布后也引起了很多的討論，其實(shí)匯聚到一個(gè)詞就是--“軍備競(jìng)賽”，是否會(huì)引起大家對(duì)價(jià)格高昂的無刷電機(jī)進(jìn)行瘋狂追逐，比拼經(jīng)費(fèi)，錢多的就成績(jī)好呢？這期間組委會(huì)卓老師也經(jīng)過了多番思考，在上周六我們?cè)谂c卓老師進(jìn)行無刷方案準(zhǔn)備的討論時(shí)也討論到這個(gè)話題，我記不住原話了，大概意思是：從賽題的要求來看，其實(shí)追求無刷的極致轉(zhuǎn)速和扭力并不能為穩(wěn)定完成比賽帶來太大的提高，一個(gè)合適的無刷電機(jī)就可以了，也就是說整個(gè)作品的上限并不是無刷電機(jī)的性能比拼，那么引入一個(gè)新的賽題何不開放更多的空間呢，不去指定，給同學(xué)們?cè)黾右粋€(gè)自主選擇的環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)又何嘗不是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程呢，對(duì)于組委會(huì)來講，新的賽題也是一種探索，更開放的規(guī)則更有利于迸發(fā)出更好的方案，有利于積累更多的經(jīng)驗(yàn)，也是對(duì)同學(xué)們創(chuàng)造力的期待。從這個(gè)角度講，不指定無刷電機(jī)的確是一種更好的方式。
▲ 圖1.1 全國(guó)大學(xué)生智能車技術(shù)研討會(huì)那么究竟什么樣的無刷電機(jī)是合適的呢，其實(shí)在參加完10月16日的研討會(huì)后，卓老師已經(jīng)在讓我們進(jìn)行驗(yàn)證，大家也可以從卓老師微信公眾號(hào)和CSDN上看到一些我們測(cè)試的視頻，這期間，我們對(duì)3650這種外形尺寸的多種參數(shù)的無刷電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，從1760-7000 的Kv值總共測(cè)過不同廠家的十多個(gè)電機(jī)，實(shí)話講，這波測(cè)試還是很花錢的，但其實(shí)結(jié)合咱們比賽實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景來看，并不需要太高的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過實(shí)際的測(cè)試，我們認(rèn)為讓L車按照50km/h左右的理論速度上限來挑選無刷比較合適，這個(gè)轉(zhuǎn)速參數(shù)下的扭力也完全足夠，畢竟賽題的要求其實(shí)是力量與速度需要并存的，Kv值是指的每增加1V電壓電機(jī)增加的轉(zhuǎn)速，假設(shè)以額定電壓12V，2500Kv值的電機(jī)為例，額定最高轉(zhuǎn)速就是12*2500=30000R/m，Kv值的單位全稱是Kv(RPM/volt)，更多關(guān)于無刷電機(jī)的參數(shù)的含義，大家可以自行查詢，在本篇開源項(xiàng)目中會(huì)推薦一種我們認(rèn)為比較合適的電機(jī)。
▲ 圖1.2 智能車競(jìng)賽研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)無刷電機(jī)的前奏聊得多了一點(diǎn)，接下來就是無刷電機(jī)怎么驅(qū)動(dòng)的事了，講真，無刷電機(jī)的使用比有刷電機(jī)的使用復(fù)雜了很多，這里不展開講，相信你們自己會(huì)體會(huì)到，當(dāng)你自己搞清楚原理，然后第一次讓它順暢的轉(zhuǎn)起來，并且讓它能轉(zhuǎn)到它的額定轉(zhuǎn)速，甚至超過它的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，你會(huì)很興奮，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)動(dòng)是靠代碼的精確設(shè)計(jì)邏輯來實(shí)現(xiàn)的，而不是有刷電機(jī)那樣上電就能轉(zhuǎn)的原理，所以組委會(huì)也是考慮到了其使用門檻，于是在10月18號(hào)到靈動(dòng)微電子進(jìn)行討論時(shí)商定，由逐飛根據(jù)賽題要求，設(shè)計(jì)一套無刷驅(qū)動(dòng)方案，并且開源給大家使用。這也便是今天的開源項(xiàng)目的來源，終于要開始講今天的主題啦！
▲ 圖1.3 智能車競(jìng)賽贊助商上海靈動(dòng)單片機(jī)公司
02 BLCD開源項(xiàng)目
受靈動(dòng)微電子及組委會(huì)委托，逐飛科技作為靈動(dòng)微電子大學(xué)計(jì)劃官方合作伙伴，針對(duì)第十七屆智能汽車競(jìng)賽室外極速組的BLDC應(yīng)用需求，為參賽選手們精心設(shè)計(jì)了符合賽事需求的MM32 BLDC驅(qū)動(dòng)開源方案供大家參考，該方案使用MM32SPIN360C，此單片機(jī)具有3個(gè)運(yùn)放及3個(gè)比較器，無需外加運(yùn)放與比較器。無刷電機(jī)為有感、內(nèi)轉(zhuǎn)子、2860KV、電壓為12V。開源項(xiàng)目目前已實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、內(nèi)部速度閉環(huán)、支持剎車、支持電機(jī)加速度可調(diào)、支持堵轉(zhuǎn)保護(hù)。
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本文下面對(duì)應(yīng)的資料庫(kù)下載鏈接[1] : https://gitee.com/seekfree/MM32SPIN360C_BLDC_Project
一、無刷電機(jī)原理簡(jiǎn)介
在講解本開源項(xiàng)目之前，還需要再簡(jiǎn)單科普一下無刷電機(jī)的原理，下面我們以三槽兩極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行講解。
圖1是無刷電機(jī)的基本模型示意，電機(jī)內(nèi)部有三個(gè)線圈，每個(gè)線圈的一端都連接起來，另外一端引出到外部，中間有一個(gè)具有N/S兩極的永磁鐵內(nèi)轉(zhuǎn)子。
▲ 采用星型連接方式的無刷電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
1、無刷電機(jī)定子磁場(chǎng)
如果我們按照一定的順序給電機(jī)通電，轉(zhuǎn)子就可以旋轉(zhuǎn)起來。我們舉例幾種給電的情況來進(jìn)行簡(jiǎn)單分析和模擬：
（1）給A端正電壓，B端負(fù)電壓
A相產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的S極，B相線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的N極，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到向左傾斜的位置，如下圖所示。（其中每一相產(chǎn)生的磁場(chǎng)我們需要使用右手螺旋定則判斷磁場(chǎng)的南極與北極）
▲ 圖2.1.2 AB相施加電壓的情況
（2）給A通正電壓，C通負(fù)電壓
A相產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的S極，C相線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的N極，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到水平位置，如下圖所示。
▲ 圖2.1.3 AC相通電情形
（3）給B通正電壓，C通負(fù)電壓
B相產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的S極，C相線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的N極，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到向右傾斜的位置，如下圖所示。
▲ 圖2.1.4 BC通電情形
（4）給B通正電壓，A通負(fù)電壓
B相產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的S極，A相線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)吸引轉(zhuǎn)子的N極，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)到向左傾斜的位置和a種情況類似但轉(zhuǎn)子的南北極相反，如下圖所示。
▲ 圖2.1.5 BA相通電情形根據(jù)前四次的舉例，我們可以得出第5、第6次也可以依次類推。
最終我們總結(jié)一下每次換相之后轉(zhuǎn)子到達(dá)的位置，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要換相6次，每次換相角度為60度，如下圖所示
▲ 圖2.1.6 無刷電機(jī)不同施加電壓對(duì)應(yīng)內(nèi)部磁極平衡位置
2、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)
以上就是我們控制無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的基本原理了，但是要真正的實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，我們還缺少一個(gè)最重要的東西，就是如何知道轉(zhuǎn)子已經(jīng)到達(dá)預(yù)定位置，因?yàn)槲覀冎挥兄懒宿D(zhuǎn)子到達(dá)了預(yù)定位置之后才能進(jìn)行換相，這樣電機(jī)才能順滑的運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)常用的有三種方式。
（1）方式一：BEMF過零檢測(cè)
三相相電壓與電機(jī)中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，比較器輸出的三路信號(hào)就類似于霍爾的三路信號(hào)一樣。過零檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于電機(jī)與驅(qū)動(dòng)連接的線較少，但是缺點(diǎn)在于啟動(dòng)的時(shí)候需要開環(huán)啟動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致低速的時(shí)候控制效果差，并且硬件電路會(huì)更加復(fù)雜。當(dāng)然也有其他辦法使得在無感的方式下低速控制效果也不錯(cuò)，但是會(huì)大大增加軟件上的復(fù)雜程度。
▲ 圖2.1.7 定子線圈上感應(yīng)的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（BEMF）電壓波形
（2）方式二：霍爾檢測(cè)
通過安裝霍爾檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，一共安裝三個(gè)霍爾分別間隔120度安裝，霍爾輸出的波形如下圖所示(使用邏輯分析儀采集到的波形)，每當(dāng)波形改變的時(shí)候就需要進(jìn)行換相。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是成本會(huì)稍微高一點(diǎn)點(diǎn)。
▲ 圖2.1.8 無刷電機(jī)HALL輸出信號(hào)
（3）方式三：角度編碼器檢測(cè)
加裝磁編碼器、光電角度編碼器或者角度解算器直接檢測(cè)轉(zhuǎn)子具體的位置。這種方式成本會(huì)高很多。
▲ 圖2.1.9 角度傳感器我們推薦選擇方式二，采用霍爾檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信息，驅(qū)動(dòng)電路硬件會(huì)稍微簡(jiǎn)單一點(diǎn)，成本上也并未增加太多。我們推薦的有感無刷電機(jī)就是采用這種方式，使用這種電機(jī)，還可以節(jié)省下有刷電機(jī)閉環(huán)使用到的編碼器，算下來反而更實(shí)惠。這一種方式可以得到轉(zhuǎn)子位置信息，我們就可以通過位置信息來編寫程序進(jìn)行換相，然后就可以驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了。
二、電機(jī)控制芯片選型
經(jīng)過我們和靈動(dòng)微電子的電機(jī)專家討論，本次極速越野組推薦使用靈動(dòng)的MM32SPIN360C驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)。在我們前期驗(yàn)證時(shí)，靈動(dòng)的電機(jī)專家朱工和丁工都給了我們很大的幫助，這其中也感謝靈動(dòng)微電子大學(xué)計(jì)劃負(fù)責(zé)人蘇勇經(jīng)理為我們協(xié)調(diào)資源，感謝靈動(dòng)微電子為智能車競(jìng)賽提供的支持。
1、單片機(jī)特點(diǎn)
這款單片機(jī)特點(diǎn)如下：
1. 使用高性能的 Arm® Cortex®-M0 為內(nèi)核的 32 位微控制器。
2. 最高工作頻率可達(dá) 96MHz。
3. 包含 12 位的 ADC，采樣速度高達(dá) 1MHz。
4. 通用定時(shí)器5 個(gè)、針對(duì)電機(jī)控制的 PWM 高級(jí)定時(shí)器2 個(gè)。
5. UART 接口2 個(gè)、I2C 接口1 個(gè)、SPI 接口2 個(gè)。
6. 針對(duì)無刷電機(jī)應(yīng)用內(nèi)置 3 個(gè)運(yùn)放，3 個(gè)比較器。
7. 預(yù)驅(qū)工作電壓高達(dá) 75V。
以下幾個(gè)具有特點(diǎn)的功能介紹下。
（1）PWM高級(jí)定時(shí)器1/8
該芯片的TIMER1與TIMER8定時(shí)器，可以直接輸出三路PWM信號(hào)或者是三路互補(bǔ)的PWM信號(hào),互補(bǔ)的PWM信號(hào)時(shí)可以設(shè)置死區(qū)。
無刷電機(jī)的三個(gè)半橋有三種驅(qū)動(dòng)方式：
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方式一：上橋給PWM信號(hào)下橋通過IO控制開啟與關(guān)閉（逐飛本次開源項(xiàng)目即使用的這種方式）。
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方式二 ：上橋通過IO控制開啟與關(guān)閉下橋給PWM信號(hào)。
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方式三：上下橋都給PWM信號(hào)，但是需要注意的是上下橋的PWM信號(hào)必須是互補(bǔ)的，因?yàn)樯舷聵虿荒芡瑫r(shí)導(dǎo)通，否則出現(xiàn)電源與地短路的情況。
由于MOS開關(guān)具有延時(shí)，所以互補(bǔ)PWM信號(hào)還必須設(shè)置死區(qū)，作用是當(dāng)其中一個(gè)橋關(guān)閉之后要延時(shí)一段時(shí)間再打開另外一個(gè)橋，避免出現(xiàn)電源對(duì)地短路的情況。插入死區(qū)之后的互補(bǔ)PWM信號(hào)如下圖8所示（使用邏輯分析儀采集到的波形）。
▲ 圖2.2.1 上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間
（2）單片機(jī)集成預(yù)驅(qū)動(dòng)
該芯片TIMER1的端口已經(jīng)包含了預(yù)驅(qū)動(dòng)，可以直接用于推動(dòng)mos工作，這樣大大的簡(jiǎn)化了外部電路，并且定時(shí)器支持剎車信號(hào)輸入。這也是推薦這顆芯片的一大原因，但需要注意的是這顆芯片的TIMER8不包含預(yù)驅(qū)，使用時(shí)需要避開。
（3）單片機(jī)集成比較器
該芯片內(nèi)置三個(gè)比較器，如果采用六步方波無傳感器的方式驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，那么勢(shì)必會(huì)用到過零檢測(cè)來判斷何時(shí)進(jìn)行換相，內(nèi)置了比較器也為無傳感器控制無刷電機(jī)帶來了更多的便捷。在使用霍爾有感的方式我們也可以使用比較器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)（這里的自動(dòng)表示無需代碼干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)）堵轉(zhuǎn)保護(hù)等功能。
（3）單片機(jī)集成運(yùn)放
該芯片內(nèi)置了三個(gè)運(yùn)放，可以用于電流檢測(cè)，使用磁場(chǎng)定向控制（FOC），或者檢測(cè)線路電流從而判斷是否堵轉(zhuǎn)等故障出現(xiàn)，然后及時(shí)關(guān)閉控制避免硬件出現(xiàn)損壞。內(nèi)置運(yùn)放進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路降低了制作的難度。
三、MOS功率管選型
由于單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成了運(yùn)放、比較器、預(yù)驅(qū)，因此外圍器件選擇主要就集中在了MOS管型號(hào)的選擇上，MOS管我們選擇的型號(hào)是TPH1R403NL，這款MOS電流高達(dá)150A，10V的時(shí)候內(nèi)阻低至1.2毫歐，開啟電壓低至2.5V左右，性價(jià)比較高。
▲ 圖2.3.1 TPH1R403NLMOS管因?yàn)殪`動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片集成功能豐富，所以用它加上MOS就簡(jiǎn)單的構(gòu)成了無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件方案，如下圖所示：
▲ 圖2.3.2 無刷電機(jī)硬件方案電路圖1▲ 圖2.3.3 無刷電機(jī)硬件方案電路圖2這里的圖如果看不清楚不要緊，原理圖的PDF文件會(huì)放到 開源資料里[2] 的。
四、軟件代碼
1、開源項(xiàng)目工程目錄結(jié)構(gòu)
逐飛MM32SPIN360C智能車BLDC開源項(xiàng)目的目錄結(jié)構(gòu)如下圖所示。
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hardware:文件夾下放置的是驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)一些必要的單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)模塊，例如GPIO、ADC、UART、PWM輸入捕獲、高級(jí)定時(shí)器1、運(yùn)放、比較器。
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bldc:文件夾下放置的是逐飛科技精心編寫的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)代碼。
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sdk:這是靈動(dòng)官方的底層驅(qū)動(dòng)，如果還需要其他的單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)功能，可以基于sdk自行編寫程序?qū)崿F(xiàn)。
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mdk:文件夾下放置的是工程項(xiàng)目文件，雙擊seekfree_bldc.uvprojx文件即可打開工程。
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user:文件夾下放置的是main.c、isr.h、isr.c文件。
2、單片機(jī)外設(shè)模塊
無刷電機(jī)需要用到的單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)有：
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ADC：主要用于檢測(cè)電源電壓、采集放大時(shí)候的母線電流以及相電流
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比較器：主要用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，無需代碼干預(yù)，當(dāng)母線電流超過設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)關(guān)閉高級(jí)定時(shí)器輸出。
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GPIO：主要用于LED指示燈，用于顯示各種狀態(tài)。
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運(yùn)放：主要用于放大采樣電阻的電壓信號(hào)，然后用于計(jì)算母線與相電流。
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PWM輸入：使用通用定時(shí)器的輸入捕獲實(shí)現(xiàn)，對(duì)外部PWM信號(hào)的周期以及占空比獲取。
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高級(jí)定時(shí)器1：主要用于輸出三路PWM信號(hào)以及接受剎車信號(hào)。
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通用定時(shí)器：主要用于產(chǎn)生周期信號(hào)，進(jìn)行PI閉環(huán)計(jì)算，用于控制電機(jī)的速度。
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UART：主要用于發(fā)送電機(jī)信息到虛擬示波器，便于查看電機(jī)運(yùn)行情況。
3、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)文件
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bldc_config.h:文件用于配置電機(jī)參數(shù)，例如是否開啟閉環(huán)、是否開啟緩慢加速、設(shè)置加速步進(jìn)值、是否開啟剎車、最大轉(zhuǎn)速設(shè)置、堵轉(zhuǎn)保護(hù)閾值設(shè)置。
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hall:文件主要用于檢測(cè)霍爾的值、換相時(shí)間計(jì)算、轉(zhuǎn)速計(jì)算。
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motor:文件主要用于電機(jī)緩慢加速實(shí)現(xiàn)、占空比輸出。
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move_filter:文件主要用于，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波。
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pid:文件主要用于對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行速度PI閉環(huán)。
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virsco:文件為虛擬示波器的通訊協(xié)議。
4、主函數(shù)及中斷說明
主函數(shù)與中斷的文件存放在user文件夾中，無刷電機(jī)大部分代碼都是在中斷內(nèi)運(yùn)行的，中斷相關(guān)的函數(shù)全部放在了isr.c中。
五、程序工作流程
為了更清楚的表達(dá)起工作流程，整個(gè)項(xiàng)目的軟件流程繪制了幾張流程圖，同時(shí)也加以文字說明。
1、主函數(shù)工作流程
▲ 圖2.5.1 主函數(shù)工作流程主函數(shù)主要的作用是初始化各種外設(shè)以及一些軟件資源，然后在主循環(huán)中持續(xù)的發(fā)送電機(jī)信息到虛擬示波器，便于觀察電機(jī)運(yùn)行情況。
2、ADC中斷工作流程
▲ 圖2.5.2 ADC中斷流程圖ADC中斷是無刷電機(jī)的核心中斷，ADC觸發(fā)采集是由定時(shí)器1的通道4占空比更新事件進(jìn)行觸發(fā)的，因此ADC中斷頻率與TIMER1輸出的PWM頻率是一致的。PWM頻率是40KHz，因此ADC的中斷頻率也是40KHz。
在中斷內(nèi)主要是獲取母線電流、相電流、電源電壓。母線電流在之后做電流環(huán)的時(shí)候需要使用到，也可以用于做故障檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到電流過大的時(shí)候，及時(shí)關(guān)閉輸出以保護(hù)硬件，相電流可以用于之后做FOC驅(qū)動(dòng)方案的時(shí)候提供支持。
掃描霍爾這個(gè)流程塊中，主要是統(tǒng)計(jì)每次換相的時(shí)間，如果換相時(shí)間過長(zhǎng)則認(rèn)為出現(xiàn)故障此時(shí)應(yīng)該及時(shí)關(guān)閉輸出。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行的時(shí)候?qū)⒚看螕Q相的時(shí)間都保存在數(shù)組內(nèi)，當(dāng)?shù)玫阶罱?次的換相時(shí)間之后，我們就能知道電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所花費(fèi)的時(shí)間，從而就能夠計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速了。在每次換相的時(shí)候速度輸出引腳進(jìn)行電平翻轉(zhuǎn)，這樣外部控制器也能輕松的檢測(cè)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而無需外加編碼器。然后根據(jù)讀取到的霍爾值計(jì)算出下次期望的霍爾值。
霍爾掃描結(jié)束之后，開始檢查延時(shí)換相時(shí)間是否到，時(shí)間沒有到則延時(shí)時(shí)間減一，延時(shí)時(shí)間為0的時(shí)候開始進(jìn)行換相動(dòng)作，這里延時(shí)換相的原因是因?yàn)樵陔姍C(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候霍爾有滯后導(dǎo)致的，可能有人問為什么霍爾滯后了，你還要延時(shí)換相呢，因?yàn)槲覀儾捎玫姆椒ㄊ牵?dāng)霍爾出現(xiàn)滯后之后，我們換相的時(shí)候并不是換到下一相，而是換到了下下相，這樣就相當(dāng)于超前換相了，所以我們需要加一定的延時(shí)去匹配，從而得到一個(gè)最佳的換相點(diǎn)。
3、定時(shí)器3中斷工作流程
▲ 圖2.5.3 定時(shí)器3中斷工作流程定時(shí)器3中斷頻率為1KHz，主要用于根據(jù)DIR引腳設(shè)置電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，然后計(jì)算速度曲線，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)緩慢加速（此功能可關(guān)閉），緩慢加速降低電機(jī)加速時(shí)功率，在調(diào)試階段可以盡量保護(hù)車模以及硬件電路。然后進(jìn)行PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，這里主要實(shí)現(xiàn)是將我們采集到的電機(jī)速度與設(shè)置的電機(jī)速度求差，將得到的偏差×系數(shù)KP得到比例輸出Pout，然后對(duì)偏差×系數(shù)KI并將每次計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行求和得到Iout，最終將Pout與Iout相加，然后將相加之后的和輸出到占空比寄存器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。其中KP、KI系數(shù)可能需要自己在多多調(diào)試，以找到更加完美的參數(shù)，使得電機(jī)運(yùn)行更加迅速且穩(wěn)定。
4、定時(shí)器16中斷工作流程
定時(shí)器16中斷主要作用是用來接收外部PWM信號(hào)的周期與高電平時(shí)間，然后計(jì)算信號(hào)的占空比，根據(jù)占空比的大小設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)外部控制器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
▲ 圖2.5.4 定時(shí)器16中斷工作流程
5、定時(shí)器1工作流程
▲ 圖2.5.5 定時(shí)器1中斷工作流程定時(shí)器1的中斷，主要用于判斷當(dāng)前是否出現(xiàn)了剎車信號(hào)，通過查看原理圖我們可以知道，母線電流經(jīng)過運(yùn)放放大之后，連接到比較器，比較器的輸出直接連接到了內(nèi)部引腳，我們?cè)诒容^器的初始化中能夠看到，比較器最終的輸出是連接到了定時(shí)器1的break信號(hào)上，當(dāng)電流超過我們?cè)O(shè)置的閾值之后，比較器會(huì)輸出有效信號(hào)，定時(shí)器收到了break信號(hào)之后就會(huì)及時(shí)關(guān)閉輸出，當(dāng)信號(hào)消失之后定時(shí)器會(huì)從新輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。我們?cè)谥袛鄡?nèi)點(diǎn)亮了一個(gè)LED，在使用的工程中如果這個(gè)LED點(diǎn)亮了則說明系統(tǒng)的電流已經(jīng)超過了設(shè)置的閾值。
逐飛會(huì)對(duì)本開源項(xiàng)目進(jìn)行持續(xù)更新和維護(hù)，預(yù)計(jì)功能上還會(huì)繼續(xù)添加串級(jí)閉環(huán)的功能、剎車力度可調(diào)節(jié)，速度環(huán)作為外環(huán)，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，這樣可以不需要曲線計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)緩慢加速的功能，通過內(nèi)部電流環(huán)限定電流大小也能更好的保護(hù)硬件電路。之后也會(huì)嘗試使用FOC方案驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)然，對(duì)這些功能有興趣的同學(xué)可以自己提前研究嘗試一下，聽靈動(dòng)的電機(jī)專家說，這些東西完全搞明白之后，都足夠找一份相對(duì)不錯(cuò)的工作了。
03 無刷電機(jī)
一、基于MM32SPIN360C無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)板
▲ 圖3.1 無刷電機(jī)學(xué)習(xí)板上圖中1-8號(hào)標(biāo)號(hào)的含義如下：
1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源端口（不超過12V，建議使用3S電池）
2. 控制與信息輸出端口，PWM引腳是速度調(diào)節(jié)端口，外部控制器輸出1KHz頻率的PWM，通過調(diào)節(jié)占空比大小來調(diào)節(jié)速度。DIR引腳是用于設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的。SPDOUT與DIROUT引腳是輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速信息的，電機(jī)越快此引腳上輸出的信號(hào)頻率越高，推薦使用單片機(jī)采集編碼器的接口進(jìn)行信息采集。SPDOUT連接編碼器采集接口的A通道或者連接單片機(jī)的計(jì)數(shù)通道，DIROUT連接編碼器采集接口的B通道或者連接方向引腳（具體可以參考編碼器采集例程）。
3. SWD調(diào)試接口，可以對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的單片機(jī)燒寫程序以及在線調(diào)試。
4. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的使能開關(guān)，開關(guān)是連接到IO上，通過軟件實(shí)現(xiàn)的使能。
5. 連接無刷電機(jī)霍爾接口。
6. 連接無刷電機(jī)A相。
7. 連接無刷電機(jī)B相。
8. 連接無刷電機(jī)C相。
溫馨提示：該驅(qū)動(dòng)板成品僅供學(xué)習(xí)參考調(diào)試，不能直接將成品驅(qū)動(dòng)使用在正式參賽的小車上，正式參賽的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板需要同學(xué)們自行制作并按要求在銅層打上隊(duì)伍信息。
二、無刷電機(jī)
前面也講到過，我們對(duì)很多款電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，后面也與其中一家無刷電機(jī)的生商進(jìn)行了合作，讓其定制一款無刷電機(jī)供我們競(jìng)賽中使用，目前正在生產(chǎn)中，預(yù)計(jì)本月就可以拿到現(xiàn)貨了，逐飛推薦極速越野組使用這款無刷電機(jī)，逐飛的開源項(xiàng)目代碼和硬件也是以這款電機(jī)為樣品來進(jìn)行測(cè)試的。
▲ 圖3.2.1 無刷電機(jī)外形這款電機(jī)的參數(shù)如下：
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有感、三槽兩極
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2860Kv（Kv表示每增加一伏電壓電機(jī)增加的轉(zhuǎn)速，最高12V）
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尺寸36(mm)*50(mm)
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額定功率190W
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支持1-3S鋰電池供電。
溫馨提示：此款電機(jī)僅為逐飛推薦款，同學(xué)們也可以選擇自己認(rèn)為合適的無刷電機(jī)，這一點(diǎn)上規(guī)則是沒有限制的，但建議大家選擇有感無刷。
▲ 圖3.2.2 無刷電機(jī)外形
04 工作演示
以上開源項(xiàng)目經(jīng)過逐飛的精心設(shè)計(jì)和代碼編寫，真實(shí)可靠，特別拍攝了一個(gè)演示視頻，視頻中通過旋鈕調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通過按鍵切換方向，通過屏幕顯示轉(zhuǎn)速，可能看不太清，但聽聲音應(yīng)該能感受到它的澎湃動(dòng)力，視頻如下：
在這里插入圖片描述特別說明：該開源項(xiàng)目?jī)H用于各參賽同學(xué)在設(shè)計(jì)自己的小車時(shí)進(jìn)行參考，硬件和軟件都不能夠直接拷貝使用在自己的作品中，請(qǐng)大家參考后重新完成硬件和軟件的設(shè)計(jì)制作。
最后，當(dāng)然是上開源項(xiàng)目gitee鏈接：https://gitee.com/seekfree/MM32SPIN360C_BLDC_Project
好了，本期的開源項(xiàng)目介紹就到這里了，推薦款無刷電機(jī)及無刷驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)板已上架逐飛淘寶店預(yù)售，感謝各位支持，你們的支持是我們開源的動(dòng)力，如果能幫到大家，深感榮幸。時(shí)間緊張，水平有限，大神輕拍，如果開源項(xiàng)目中有任何BUG，歡迎留言反饋，逐飛會(huì)持續(xù)維護(hù)和完善。
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本博文轉(zhuǎn)載自：SeekFree公眾號(hào)[2]
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