DIY无刷电机控制器：画板、打样、焊接...
很早之前就想做一款无刷电机控制器，但忙于工作一直没有弄 。最近有点时间画板、打样、焊接、调试，总算顺利的转起来了 。不过，期间也遇到了很多问题，上网查资料，自己量波形，前前后后搞了差不多将近一个月（中间又出差一周），总算搞得差不多了，特意写个总结 。
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 。
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（后面再细讲） 。无论有感，还是无感，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uvw，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、转的就越快（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方式是目前比较常用的 。当然，后续还有foc等更好的算法 。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pmos低内阻的价格高，功率上面很难做大 。而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，以及电流保护等 。如下一个典型的换相代码：Stm32有两个高级定时器tim1和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 。
下图为uvw三相的霍尔检测到的电平，以及w相的波形 。
下图为uvw三相波形，以及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 。
接下来，再说说无感模式 。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：预定位、启动、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、预定位：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：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、进入闭环反馈：闭环反馈控制换相跟有感差不多一样 。
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为何电机不烧呢？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 。再说说初中学习的法拉第 ，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于当前在磁场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了 。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 。而我们所要做的，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：单片机ad采集、比较器比较 。此次我选择了比较器，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，但还是有很多毛刺 。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呢？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 。
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 。我试了一下，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 。到底真实怎样，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）
（装散热片的样子）
-END-
什么是移相全桥？12种工作模态全解析 美如画！电厂各类设备原理动图，看懂你也是大牛！ 跪了！机房布线的最高境界……
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