STM32F103做主控自制无刷电机（BLDC）控制器 有感／无感
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STM32F103做主控自制无刷电机（BLDC）控制器
支持 有感／无感 两种模式
2018年9月21日
星期五
snail_dongbin
很早之前就想做一款无刷电机控制器，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。期间也遇到很多问题，上网查资料，自己量波形前前后后搞了差不多近一个月，（中间又出差一周）总算搞的差不多了，特意写个总结。
先来秀个板子外观，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。
具体参考网络介绍 https://blog.csdn.net/dddxxxx/article/details/52564571
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。
当然难点就在如何获取当前转子的位置好换相，所以又分为两种 有感和无感。
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（后面在细讲）。
当然各有各的优缺点，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 U V W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方式是目前常用的。当然后续还有foc等更好算法。
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。但是pmos低内阻的价格高。功率上面很难做大。
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，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 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。
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);
/* Channel1 configuration */
/* Channel2 configuration */
TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Enable);
/* Channel3 configuration */
TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/1000);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Enable);
break;
case 5: //B+ A-
/* Next step: Step 3 Configuration -------------------------------------- */
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Disable);
/* Channel1 configuration */
TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/1000);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Enable);
/* Channel2 configuration */
TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Enable);
/* Channel3 configuration */
break;
case 1: //C+ A-
/* Next step: Step 4 Configuration -------------------------------------- */
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Disable);
/* Channel1 configuration */
TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/1000);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Enable);
/* Channel2 configuration */
/* Channel3 configuration */
TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Enable);
break;
case 3: //C+ B-
/* Next step: Step 5 Configuration -------------------------------------- */
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);
/* Channel1 configuration */
/* Channel2 configuration */
TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/1000);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Enable);
/* Channel3 configuration */
TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Enable);
break;
case 2: //A+ B-
/* Next step: Step 6 Configuration -------------------------------------- */
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Disable);
/* Channel1 configuration */
TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Enable);
/* Channel2 configuration */
TIM_SetCompare2(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/1000);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Enable);
/* Channel3 configuration */
break;
case 6: //A+ C-
/* Next step: Step 1 Configuration -------------------------------------- */
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Disable);
/* Channel1 configuration */
TIM_SetCompare1(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Enable);
/* Channel2 configuration */
/* Channel3 configuration */
TIM_SetCompare3(BLDC_TIMx,BLDC_TIM_PERIOD*speed_duty/1000);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Enable);
break;
default:
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_2,TIM_CCxN_Disable);
TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCx_Disable);
TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_3,TIM_CCxN_Disable);
break;
}
下图为uvw三相的霍尔检测到的电平及w相的波形。
下图为 uvw三相波形及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
在这里插入图片描述
在说说无感模式，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 ，1 预定位 2 启动 3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 预定为就是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，就是逐步的强制换相，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 闭环反馈控制换相跟有感差不多一样。
speed_duty=30; //30% start
BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相
Delay_MS(200);
speed_duty=pwm;
timer = 300;
while(1)
{
for(i=0;i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为何电机不烧哪？？
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。
在说说那个初中学习的法拉第 ，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，但是转起来就不一定了，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与当前在磁场ns极的位置。当切割ns时为-1，切割sn时为1，平行时为0.
在这里插入图片描述
利用这一特性不就刚好可以获得转子的位置吗？
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。
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 1 单片机ad采集。2 比较器比较。
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，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哪，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。
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;
/* 清除中断标志位 */
if ( TIM_GetITStatus(TIM3 , TIM_IT_Update) != RESET )
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM3 , TIM_FLAG_Update);
nums++;
//缓存io状态
Queue_UStatus= Queue_UStatus <<1;//左移
Queue_VStatus= Queue_VStatus <<1;
Queue_WStatus= Queue_WStatus <<1;
Queue_UStatus |= EMF_U_STATUS; //赋值
Queue_VStatus |= EMF_V_STATUS;
Queue_WStatus |= EMF_W_STATUS;
//连续检测消除杂波
status_h = Queue_UStatus &FilterNums;
if(status_h == FilterNums) Filter_U_Status = 1;
else if(status_h == 0x0) Filter_U_Status = 0;
else return;
status_h = Queue_VStatus &FilterNums;
if(status_h == FilterNums) Filter_V_Status = 1;
else if(status_h == 0x0) Filter_V_Status = 0;
else return;
status_h = Queue_WStatus & FilterNums;
if(status_h == FilterNums) Filter_W_Status = 1;
else if(status_h == 0x0) Filter_W_Status = 0;
else return;
//边沿检测
status_l = UEMF_Edge(Filter_U_Status); //U 检测边沿
if(status_l == 1) nums =0; //上升沿
else if(status_l == 0) //下降沿
{
Delay30deg = nums/4;
}
if(VEMF_Edge(Filter_V_Status))//V 检测边沿
{ nums =0; }
if(WEMF_Edge(Filter_W_Status))//W 检测边沿
{ nums =0; }
//30度延时换相
if(nums == Delay30deg)
{
EMF_Val = (Filter_U_Status<<2 )| (Filter_V_Status<<1) |Filter_W_Status;
if(EMF_SVal == EMF_Val) return;
EMF_SVal = EMF_Val; //更新值
EMF_EXTI_Callback(EMF_Val);
}
}
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等。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
加装散热片的样子。