DIY無刷電機控制器：畫板、打樣、焊接...

很早之前就想做一款無刷電機控制器，但忙于工作一直沒有弄。最近有點時間畫板、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月（中間又出差一周），總算搞得差不多了，特意寫個總結(jié)。

板子外觀100*60mm中等大小，DC 12V輸入，設(shè)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(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，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(zhuǎn)速也更高。

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(yīng)電動勢過零點（后面再細講）。

無論有感，還是無感，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(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個繞組uvw，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?qū)M出來的，本質(zhì)還是直流電。電機靠hall位置按一定順序換相，轉(zhuǎn)速與電壓電流有關(guān)。這一點切記，不是換的越快、轉(zhuǎn)的就越快（位置決定換相時刻，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的io就可以驅(qū)動。但pmos低內(nèi)阻的價格高，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(fù)雜的。主程序一直檢測ad值，改變pwm占空比，以及電流保護等。

如下一個典型的換相代碼：Stm32有兩個高級定時器tim1和tim8，可以輸出4組互補型pwm，還可以設(shè)定死區(qū)時間等，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，電機無法知道轉(zhuǎn)子當前的位置，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難點。

一般方法都是分三段法：預(yù)定位、啟動、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(yù)定位：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：逐步的強制換相，當然要有個加速的過程，使電機轉(zhuǎn)起來。這個過程太慢會抖動反轉(zhuǎn)，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(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(zhuǎn)起來產(chǎn)生足夠的電動勢。

3、進入閉環(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為何電機不燒呢？其實，電機線圈在通電的一瞬間并不是完全導(dǎo)通的，因為有反向電動感應(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 ，當線圈切割磁場時會產(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，但轉(zhuǎn)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于當前在磁場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(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。而我們所要做的，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：單片機ad采集、比較器比較。

此次我選擇了比較器，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，這個已經(jīng)是比較好的了，但還是有很多毛刺。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。

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。我試了一下，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。到底真實怎樣，有待各位實際實驗了。

最后，秀幾張轉(zhuǎn)起來的照片：

（硬盤電機，無感模式）

（電動工具電機，有感模式）

（裝散熱片的樣子）

-END-

 

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