基于STM32的无刷电机驱动板无感/有感制作

只看该作者 · 2023-1-31 16:01

这些年做了好多无刷电机控制器，从航模的到工业应用的，从开源到闭源，从高电压到低电压，从大电流到低电流的，林林总总。青春都献给了电机驱动器，因为有多年的经验积累，利用业余时间，零零碎碎花了大约1个月时间，总算像样的做出来了。期间做错了一版，导致工期延期。

先来看一下板子机械尺寸和电气参数。尺寸10cm x 8cm，最大输入电压28v（可改为45v输入），额定输入电压为24v，推荐工作电压为24v，最大电流设计为30A，因为输出5.08插头最大耐压为15A，因此推荐工作电流为10A左右较为安全，因此额定功率250W。

板子外观：

只看该作者 · 2023-1-31 16:08

开发板：开发板

板子设计初衷为学习板，因此板子上的资源留的比较多，方便二次开发。

1、可通过硬件来切换实现无感、有感驱动。

2、板子上预留串口、USB-TTL方便FOC上位机调试。

3、为了下载调试方便，预留了SWD接口，没有添加20脚的JTAG接口。

4、5个按键作为按键调速功能键，按键采用丰田汽车前面板按键，手感和使用寿命都优于市面上的按键。

5、一个滑动变阻器，作为模拟输入控制转速的。

6、OLED显示屏接口，方便调试时更直观的操作。

7、四个测试点，方便用示波器观测驱动波形。

只看该作者 · 2023-1-31 16:08

能翻到我这篇bolg的，都是对无刷电机的性能和优点十分清楚的，在无刷电机的功能上我不做其它介绍了，在硬件和软件上我简单讲一下，方便大家了解。

无刷电机硬件很简单，MCU、驱动、H桥电流采样。主要就是这几部分，可能做的比较多，感觉这些东西也没啥可讲的，给大家介绍一下H桥和驱动吧。

无刷电机控制其实已经很成熟了，百年不变的H桥电路，大家可以在网上找得到，无论航模电机驱动还是工业电机驱动，都是用的一个H桥，H桥上的MOS主要决定了驱动器的功率，航模上要求的PCB面积比较小，因此在选择MOS上会选择小封装，大功率的，一般会选择DFN3.3x3.3的或者DFN5X6的，这里是硬件设计上的一个难点，在控制成本的前提下，又要保证PCB面积和性能，对工程师布线要求较高。其它影响功率的还有PCB板的铜厚、MOS的散热条件等。工业上应用会使用大功率MOS、IGBT或者晶闸管等功率器件。

只看该作者 · 2023-1-31 16:09

驱动芯片这个没什么特殊出，唯一的要求就是就是稳，稳，稳。保证有效输出，方案可靠稳定，控制类都要求安全可靠，尤其电机控制，不可以出错。

这是我在网上找的驱动方案和H桥电路，我们的方案跟这个也大同小异。

软件方面比较精彩，一句两句话也不能把其中的精髓说清楚。软件主要分有感和无感，这两个主要是在启动方式上有区别，其它地方大同小异。

只看该作者 · 2023-1-31 16:09

有感无刷电调换相逻辑：

不同绕组的通电切换，必须在转子转到位置时进行，即换相须准时地进行。换相控制是保证无刷直流电机正常工作的基础，有霍尔传感器的无刷直流电机中，一般安装3个霍尔传感器，间隔60和120按圆周分布。如果间隔60，输出波形相差60电度角。若间隔120，则3个霍尔传感器输出波形相差120度电度角，输出信号中高低电平各占180度，以120度霍尔式位置传感器为例，三相无刷直流电机反电动势和传感器输出信号相位关系。HALL-A.HALL-B,HALL-C为三个霍尔传感器在电机运转中的波形，EMF-A,EMF-B,EMF-C为电机反电动势电压波形。

只看该作者 · 2023-1-31 16:17

由图可知，无刷直流电机反电动势为正负半波皆有120度平台的梯形波，三相间相差为120度。三个位置传感器电角度间距（120度）如此，可通过对霍尔传感器信号的检测，经由功率mos或IGBT功率开关实现换相，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转，位置传感器输出信号不断变化，电枢绕组的通电状态随之改变，使得在某一磁极下导体的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机无接触换向过程。

只看该作者 · 2023-1-31 16:17

无刷电机的调速方式：

对于无刷电机，其电动势的平衡方程为：

只看该作者 · 2023-1-31 16:20

可见，在忽略电枢电阻和功率开关压降的情况下，无刷直流电机的转速仅和电枢电压和磁场强度有关，其调速方法有调压调速和弱磁调速两种，类似于直流有刷电机调速。其中，调压调速采用额定励磁可实现额定转矩输出，所以适用于恒转矩负载基速范围内调速，且方法简单实现。

只看该作者 · 2023-1-31 16:21

无刷直流电机调压调速方案有：

1.晶闸管移相调压，DC/DC变换电路调压和脉宽调试PWM技术。

晶闸管移相调压

如果系统是交流供电，需要整流电路获得直流母线电压，此时，可采用晶闸管构成可控整流桥，利用调相方法调节直流母线电压大小。

DC/DC变换器调压

只看该作者 · 2023-1-31 16:23

如果系统是直流供电，可以采用DC/DC变化器调压，调压调速原理如下，图中变换器可以调节电枢电压达到无刷直流电机调速目的，换相电路适时切换通电绕组使电机旋转。

举个简单的例子，在连接的直流母线上串联一个功率晶体管，用以调节控制器的直流电压，功率管可以工作在放大状态，给控制器的电压可以连续变化。

只看该作者 · 2023-1-31 16:26

PWM换相调压

最常见的调压调速方法是脉宽调制技术，PWM技术。

PWM技术可以有效的对谐波进行抑制，在频率，效率方面有着明显的优点，使逆变电路的技术性能与可靠性得到明显提高，采用PWM方式构成的逆变器，输入是固定不变的直流电压，可以通过PWM技术在同一逆变器中，即实现调压又实现调频，由于这种逆变器，只有一个可控的功率级，简化了主回路和控制回路的结构，体积小，重量轻，可靠性高。

只看该作者 · 2023-1-31 16:26

输出电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压幅值，而改变输出电压脉冲的占空比，也同样可以实现变频变压的效果，但是在实际使用过程中，频率是固定的，通过调整占空比来实现调压调速的。

只看该作者 · 2023-1-31 16:28

六步换相函数讲解：

只看该作者 · 2023-1-31 16:28

TIM1->CCR2 = 0; //定时器1通道2占空比为0；

TIM1->CCR1 = 0;//定时器 2 通道1占空比为0；

TIM1->CCR3 = MY_PWM;//定时器1第三通道占空比就是设定的值，这样就满足了二二导通的原则，把下一个MOS管导通，其它两个下管不导通。

只看该作者 · 2023-1-31 16:30

即

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13);

GPIO_ReSetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_14);

这样就形成上面一个管子输出PWM，下面一个MOS导通，然后中间是两根电机线，就会转动，这样按照一定的顺序去换相导通，电机就会转起来。

只看该作者 · 2023-1-31 16:31

最后：

无刷电机控制说难也难，说简单也简单。

说它难是因为网上资料太多，太乱，没有一个好的引导，无法正确入门，造成学习时间过久，失去学习兴趣；其次操作不当会导致硬件损坏，如板子冒烟，烧驱动，烧mos，对学习者心里上会造成一定的恐慌，无法继续主动学习。

说它简单是因为技术是一层窗户纸，捅破了就没那么难了。

只看该作者 · 2023-1-31 16:31

难易问题如同小马过河，你若是拥有多年编程经验，做过其它行业的多个项目，那么你就是小马过河里的老黄牛，河水再深对你来说也很浅，你要是刚会个C语言，会个单片机基本操作，那么你就是小马过河里的小松鼠，进河里就被淹死了。人要对自己有个定位，知道自己有多大能耐，不是一味的喊口号，说自己多么有毅力，多么能吃苦，我见过的喊口号的人，最终都一败涂地。浪费了钱不说，也浪费了时间，挫了自己的锐气，兵家大忌。

说了这么多，从无刷电机控制原理到人生道理都给大家讲了，希望大家对自己有一个准确的定位，花最少的时间学习到最宝贵的知识，最后祝大家学习愉快，工作顺利。

写了个程序测试板子功能，通过按键来控制电机启动、停止，加减速，换向等功能。

基于STM32的无刷电机驱动板 无感/有感制作

基于STM32的无刷电机驱动板无感/有感制作