2021年06月28日 | 【单片机】DIY无刷电机驱动器 1

参考文章：《【机械自动化】BLDC驱动器ESC》。

控制直流无刷电机和控制直流有刷电机的最大区别有两点：

1、有刷直流电机使用用两个驱动桥臂，无刷直流电机需要使用三个驱动桥臂。

2、有刷直流电机使用碳刷换相，无刷直流电机需要外部控制换相。

这里为了简化，没有使用霍尔传感器以及参考文章中介绍的反电势法（BEMF）原理进行换相检测，这里使用的方法是“猜”，“猜”法很简单，就是我觉得该换相了，就换相，如果换相快了，转子跟不上就会抖动，如果换相慢了，转子会跟着转得慢而已，那么就控制换相速度稍微慢点就行了。

核心电路图如下：

上图中使用的是PMOS加NMOS组成单个桥臂，PMOS的缺点是内阻较NMOS大，所以可能会发热较严重，但是控制方便，使用一个小的NMOS或者NPN三极管就可以驱动，但是如果上桥臂的MOS管使用NMOS的话，正常工作的时候NMOS的漏极电压会很高，导致栅极需要更高的电压才能导通NMOS，这时候需要比较复杂的控制电路或者半桥栅极驱动器IC（如IR2104STRPBF）完成这个功能。我的实验电机不需要很高的电流，这里还是选择了控制简单的PMOS作为上桥臂。但是注意电路中的R12、R13、R14在实际焊接的时候使用1K或者0欧，这样会让Vgs的绝对值较大，这时候MOS管的内阻Rds会较小，驱动电流大，MOS管自身发热量小，但是如果电机的工作电压很大的话（12V、24V），需要适当调整R12、R13、R14的大小，防止Vgs的值过大烧坏MOS管，具体值参考MOS管的数据手册，这里我使用的是集成PMOS+NMOS管的AO4606或者AO4616芯片：

PCB打样回来了：

焊接完3相桥臂和IO接口：

与3D模型对比：

电路板上面的是MCU部分，没有使用，直接把IO_A1、IO_A2、IO_B1、IO_B2、IO_C1、IO_C2使用排针引出来，直接使用开发板测试就行了，懒得焊接。

IO_A1、IO_A2、IO_B1、IO_B2、IO_C1、IO_C2是分别控制三个桥臂的信号，注意IO_X1和IO_X2信号不可以同时为高，否则会导致桥臂短路，容易烧坏MOS管，同时在程序中最好先将为0的信号先设置为0，然后再设置不为0的信号，这样可以避免短路。同时为了可以精确控制，所有IO_X1和IO_X2信号都是使用PWM驱动，因为我想实现类似步进电机的功能，可以精确控制无刷电机的转动角度。

无刷电机的换相顺序如下图，一周期总共需要6次换相，分为6个状态，分别为导通顺序分别为AB、AC、BC、BA、CA、CB，按道理软件上只要这样的换相顺序就能让电机转动。

PWM通道设置以及测试代码：

volatile unsigned int *A1 = &TIM1 ->CCR3;

volatile unsigned int *A2 = &TIM1 ->CCR2;

volatile unsigned int *B1 = &TIM3 ->CCR4;

volatile unsigned int *B2 = &TIM3 ->CCR2;

volatile unsigned int *C1 = &TIM3 ->CCR1;

volatile unsigned int *C2 = &TIM14->CCR1;

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//设置所有桥臂为无输出。注意IO_X1和IO_X2信号不可以同时为高，

//否则会导致桥臂短路，容易烧坏MOS管，同时在程序中最好先将为0的

//信号先设置为0，然后再设置不为0的信号，这样可以避免短路。

*A1 = 0;

*A2 = 0;

*B1 = 0;

*B2 = 0;

*C1 = 0;

*C2 = 0;

#define INTERVAL 5 //换相间隔时间

#define PWM1 255 //上桥臂PWM占空比，为了防止产生“共振”现象，设置一端的PWM

//占空比为100%或者0%，调整另一端的PWM占空比大小。

#define PWM2 100 //下桥臂PWM占空比

//处于t0状态，并维持一段时间，保证可靠处于t0状态

printf("Readyrn");

{ //t0:AB

*C1 = 0;

*C2 = 0;

*A2 = 0;

*A1 = PWM1;

*B1 = 0;

*B2 = PWM2;

}

delay_ms(1000);

//进入换相主循环

printf("Startrn");

while(1)

{

{ //t0:AB

printf("t0:ABrn");

*C1 = 0;

*C2 = 0;

*A1 = PWM1;

*A2 = 0;

*B1 = 0;

*B2 = PWM2;

}

delay_ms(INTERVAL);

{ //t1:AC

printf("t1:ACrn");

*B1 = 0;

*B2 = 0;

*A1 = PWM1;

*A2 = 0;

*C1 = 0;

*C2 = PWM2;

}

delay_ms(INTERVAL);

{ //t2:BC

printf("t2:BCrn");

*A1 = 0;

*A2 = 0;

*B1 = PWM1;

*B2 = 0;

*C1 = 0;

*C2 = PWM2;

}

delay_ms(INTERVAL);

{ //t3:BA

printf("t3:BArn");

*C1 = 0;

*C2 = 0;

*B1 = PWM1;

*B2 = 0;

*A1 = 0;

*A2 = PWM2;

}

delay_ms(INTERVAL);

{ //t4:CA

printf("t4:CArn");

*B1 = 0;

*B2 = 0;

*C1 = PWM1;

*C2 = 0;

*A1 = 0;

*A2 = PWM2;

}

delay_ms(INTERVAL);

{ //t5:CB

printf("t5:CBrn");

*A1 = 0;

*A2 = 0;

*C1 = PWM1;

*C2 = 0;

*B1 = 0;

*B2 = PWM2;

}

delay_ms(INTERVAL);

}

测试结果电机可以正常转动，且扭矩还不错（和电流大小有关，一开始R12、R13、R14焊接的是10K导致电流不足，转动不流畅），通过调整PWM1和PWM2可以调整相电流大小，为了防止产生“共振”现象，就是由于使用PWM控制时，当A桥臂的上桥臂为1时，B桥臂的下桥臂正好为0，这时候是没有电流的，这种重叠的时间最大可以是整个周期都是重叠的，这时候虽然两边的PWM占空比都大于零，但是产生了谐振降低了驱动电流，解决办法为设置一端的PWM占空比为100%或者0%，调整另一端的PWM占空比大小，例如这里我将PWM1设置成255，调整PWM2来调整驱动电流大小即可。通过调整INTERVAL的值改变转动速度，但是INTERVAL太小的话电机抖动，这时候就是没有使用霍尔传感器或者反电势法（BEMF）的最大缺点了。暂时不会做gif图：

这套电路可以很方便地改成启动那个带霍尔传感器的无刷电机，直接将霍尔传感器的三个信号接到单片机的IO口，根据霍尔信号进行换相，而不是使用延时进行换相即可，一般带霍尔无刷电机接线如下图：

但是这里还没有用到PWM的真正功能，就是平缓换相过程，也是角度控制功能。