老张谈电机：NO32 详解Dyson(戴森)单相无刷电机

老张，前几篇文章有初步介绍高速无刷电吹风电机OT-EFS2831。今天，老张就针对这款电机聊一些深入的技术点。也希望有工程师小伙伴看到文章之后，可以深刻地理解这款电机。同时让这款电机可以进入到产品中，真正地为用户所服务。

【Dyson（戴森）做对的地方】

一款产品的成败，往往不取决于产品做错了什么，更多的取决于做对了哪些事情。老张分析Dyson（戴森）做对的有以下几点：

l 独特外形ID；

l 正确的市场定位；

l 以及其市场定位所匹配的公司实力；

在电吹风行业产品同质化严重的前提下，人文主义和消费主义盛行的背景下，不得不说，Dyson（戴森）的电吹风外形/风格设计上充分地抓住了消费者的眼球。而成就这一点的，本质上就是无风叶设计。再往深一层的推导，成就无风叶设计的就是高速无刷电机。搭载了这么贵的无刷电机，成本上去之后的，售价也就水涨船高。最后也因为其售价，也不得不把产品的定位放在“云端”。随后，所有的市场品牌推广，市场营销也都配套而来。

老张也排除有马后炮的因素，本来这个问题也很容易走入“鸡生蛋，蛋生鸡”的窘境。不过，Dyson（戴森）也正好在对的时间，对的地点，做了对的事。过硬的产品品质，优秀的用户体验，雄厚的营销推广资本，也同样重要。

【单相无刷电机VS三相无刷电机】

首先，不得不说的是，三相无刷电机从结构上都是要优于单相无刷电机 。毕竟，三相无刷电机的这项技术成熟的时间都比单相无刷电机晚，三相无刷电机拥有更有优势的换向结构，更广阔的功率范围，更多元的应用场景 。三相无刷电机最难的地方，在于驱动。当我们去分析Dyson（戴森）的产品时，你可以发现Dyson（戴森）使用的是单相无刷电机。

老张认为，对于在营销上赋有传奇色彩的品牌Dyson（戴森），不要盲目崇拜，也无需嗤之以鼻。 首先，盲目崇拜的问题在于，盲目认为Dyson（戴森）所提出的电机解决方案就是最革新的，最成熟的，最前卫的。同样的，嗤之以鼻的问题在于，了解到三相无刷电机之后，理所当然的认为三相无刷电机远比单相无刷电机更有科技含量等。作为工程师出身的老张，更多地希望大家能够站在一个公正客观的角度去看待哪些地方是可以有更好的设计，哪些地方则是Dyson（戴森）做得不错的。

【三相无刷电机】

如果在读的同学是专业人士，又或者是拆机极客，或许能发现国内目前高速无刷电吹风都是使用的三相无刷电机。如上文所说，三相无刷电机是一个“更先进”，“更前卫”，“更具有产品潜力”的解决方案。无可厚非的是：

l 三相无刷电机驱动更复杂，表明了国内的驱动技术也很成熟 ；

l 三相无刷电机及其驱动的成本更高，表明了国内的电吹风产品性价比更高 ；

l 三相无刷电机性能更强，表明了理论层面讲国内的电吹风产品拥有更好的用户体验 ；

但是从另外一个侧面来说，也充满了厂商们的无奈；

l 由于专利壁垒 ，国内厂商在电吹风设计上不得不采用绕开Dyson（戴森）专利 的方案；

l 由于“赢者通吃”的市场逻辑 ，作为“开创者”的Dyson（戴森）更像一个锚，锚定了所有消费者的心智 ；

【单相无刷电机】

Dyson（戴森）产品大卖的前提下，咱们从侧面也可以看到Dyson（戴森）在技术方面的积累。用着 “更原始”，“更简单”，“更便宜”的电机，达到了三相无刷电机的期待。

l Dyson（戴森）使用的这款单相无刷电机，并没有使用霍尔，理论是对于单相无刷电机的换向是非常不利的。 如果没有大量的技术积累和实践，换向的问题可能会非常致命。由此可见，Dyson（戴森）在驱动方面，有着非常强的实力。

l 单相无刷电机搭载了2颗MOS管，而三相无刷电机则需搭配6颗MOS管。 同样的，电机的成本也会低不少。而且，单相无刷电机由于结构简单，制作工艺比较容易，换而言之报废率是是低的。最后均摊下来的电机成本其实是相对于三相无刷电机是低的。

l 单相无刷电机相对于三相无刷电机来说，还有一个比较“棘手”的问题，那就是频率问题。 老张之前有提到过的“升频降噪”就在这体现。由于三相无刷电机由于结构原因，本身的频率就很高，所以人耳能够接收到的噪音就低很多。目前，Dyson（戴森）使用的是2对极的磁石，其实对于升频是一个非常大挑战。可能大家也能猜到，上期的横评里面就有Dyson（戴森）电吹风，在噪音上其实是控制到行业水平的。

l 最后一点则是，单相无刷电机由于结构原因，体积可以做到更小！ 目前市面上的三相无刷电机外径普遍比Dyson（戴森）大一些。

【说在最后的话】

老张参与研发与设计的“OT-EFS2831”，其实从根本上早已经为工程师同学们解决了这些问题。“OT-EFS2831”这款电机，

l 拥有专利，无需考虑法律风险，放心使用；

l 同样是不带霍尔，带驱动的设计。不仅解决了“做”的部分，同样解决了“用”的部分；

老张最终极的愿望是，不仅可以让有想法的同学马上设计使用。同样的也是希望找到志同道合的小伙伴，可以在电机的使用上和产品的设计上有更多创新的想法。让“中国制造”+“中国设计”可以达到“1+1＞2”的效果。

暗号OT- 2831，立刻使用！

没有最好的电机，只有最适合你的电机。电机科技改变生活方式，我是老张，咱们下期再见。

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基于MCU的驱动电路，如何控制单相无刷电机？

对于小功率电机应用，成本比复杂性更为重要，并且对转矩的平顺性要求较低，因此单相无刷直流(BLDC)电机是三相电机或两相电机不错的替代方案。此类电机结构简单，易于制造，因此成本较低。此外，它只需要使用一个电枢位置传感器和几个MOSFET即可控制电机绕组。

本文介绍的基于 MCU 的驱动电路实现对单相无刷电机的控制，它会利用两个反馈回路。一个是内层回路，负责控制换向;另一个是外层回路，负责控制转速。电机转速以外部模拟电压。作为参考，而且会检测出过流和过温故障。

图 1 显示了基于 Microchip 的 8 位单片机 PIC16F1613 的单相驱动器。选择这款单片机是因为其引脚数较少，并且片上外设可以控制驱动器开关、测量电机转速、预测转子位置以及实现故障检测。本应用使用以下外设：互补波形发生器(CWG)、信号测量定时器(SMT)、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、捕捉 / 比较 / 脉宽调制(CCP)、固定参考电压(FVR)、定时器、比较器和温度指示器。上述外设通过固件在内部进行连接，因此可减少所需的外部引脚数。其中值得一提的是，互补波形发生器是一个好东西，由专门的硬件电路产生适合驱动马达的互补信号，大大简化了程序设计。

全桥电路由 CWG 输出进行控制驱动电机绕组，霍尔传感器用于确定转子位置。流过电机绕组的电流通过检测电阻 Rshunt 转换为电压，从而实现过流保护。转速以外部模拟输入作为参考。图 2 显示了电机驱动器控制框图。

对于本设计，电机额定电压为 5V，额定转速为 2400 转 / 分钟。电机驱动器电源电压为 9V。改变 MOSFET 的额定电压和导通电阻可以轻易适应从 3.3V~100V 不同的电压和对应的功率等级。参考转速可以是任一模拟输入，比如一个电位器和固定电阻组成的分压器，非常方便调速。PIC16F1613 单片机的 ADC 模块具有 10 位分辨率以及最多 8 个通道，因此适用于各类模拟输入。ADC 模块用于提供参考转速和初始 PWM 占空比，从而根据参考转速源对电机转速进行初始化。

内层回路

内层反馈回路负责控制换向。

马达驱动就好像猴子推秋千一样，需要在恰当的时候用力。霍尔传感器负责告诉单片机何时用力。全桥驱动就好像在左边还有一个猴子，我们还要决定是哪边的猴子要用力。CWG 输出用于控制定子绕组的激励，它取决于霍尔传感器输出的状态(霍尔传感器输出将通过比较器与 FVR 进行比较)。将使能比较器迟滞，以屏蔽传感器输出中的噪声。比较器输出可在正向全桥模式与反向全桥模式之间切换，从而使电机实现顺时针或逆时针旋转。CWG 输出将馈入全桥电路的开关的输入。要生成一个电气周期，必须执行一次正反向组合。电机机械旋转一周需要两个电气周期，因此必须执行两次正反向组合电机才能完成一次顺时针旋转。

全桥电路

图 3 所示的全桥电路主要由两个 P 沟道 MOSFET(用作上桥臂开关)和两个 N 沟道 MOSFET(用作下桥臂开关)组成。P 沟道晶体管的主要优势在于可以在上桥臂开关位置轻松实现栅极驱动，从而降低上桥臂栅极驱动电路的成本。但这种组合上桥臂开关和下桥臂开关有可能同时导通，就是常说的跨越导通，应极力避免这种状况，否则将产生直通电流，导致驱动器元件损坏。

为避免跨越导通，可使用 CWG 的计数器寄存器来实现死区延时。这样可避免输出信号发生重叠，继而防止上桥臂和下桥臂同时导通。理想情况下，N 沟道 MOSFET 和 P 沟道 MOSFET 应具有相同的导通电阻(RDSon)和总栅极电荷 QG，以便获得最佳的开关特性。因此，最好选择一对互补的 MOSFET 来匹配上述参数。

但实际上，由于互补 MOSFET 的结构不同，无法完全达到此要求;P 沟道器件的芯片尺寸必须是 N 沟道器件的 2 到 3 倍才能匹配 RDSon 性能。但是，芯片尺寸越大，QG 的影响也越大。因此，选择 MOSFET 时，务必先确定 RDSon 和 QG 二者中哪个对开关性能的影响更大，然后再相应地进行选择。

故障检测

若转矩负载超出允许的电机转矩负载最大值，可能会导致电机停转，从而使近似短路电流流过绕组。因此，为保护电机，必须实现过流和停转故障检测。为了实现过流检测，本设计中有 Rshunt，该电阻会根据流过电机绕组的电流提供相应的电压。电阻两端的压降随电机电流线性变化。该电压将馈入比较器的反相输入并与参考电压进行比较，参考电压基于 Rshunt 电阻与允许的电机停转电流最大值之积。参考电压可由 FVR 提供，并可通过 DAC 进一步缩小。这样便可以使用非常小的参考电压，从而将电阻保持在较低水平，进而降低 Rshunt 的功耗。为了滤除噪声和保护单片机的 IO，Rshunt 上的信号通过 R8，C5 这个低通滤波器接入单片机，会造成一定时间的延迟触发，可以根据需要略微调整低通滤波器的时间常数。

如果 Rshunt 电压超出参考电压，比较器输出会触发 CWG 的自动关断功能，并且只要故障存在，CWG 的输出便会保持无效状态。过温故障可通过器件的片上温度指示器进行检测，温度指示器的测量范围为 -40˚C 至+85˚C。指示器的内部电路会随着温度的不同而产生不同的电压，然后通过 ADC 将此电压转换为数字量。为提高温度指示器的精确度，可实施单点校准。

下图是马达绕向和电流图，供 debug 使用。

外层回路

图 2 中所示的外层回路用于控制电机在不同条件下的转速，例如负载需求、干扰和温度漂移变化等。转速由 SMT 测量。SMT 是一款具有时钟和门控逻辑的 24 位计数定时器，经配置可用于测量多种数字信号参数，如脉冲宽度、频率、占空比以及两输入信号边沿之间的时间差。可通过 SMT 的周期和占空比采集模式测量电机的输出频率。在此模式下，SMT 信号的占空比或周期都可基于 SMT 时钟进行采集。SMT 会计算单个电机旋转周期内的 SMT 时钟数，然后将结果存储于捕捉周期寄存器中。使用该寄存器可获得电机的实际频率。将实际转速与参考转速进行比较时，如果实际转速高于设定的参考转速，则产生正误差;如果实际转速低于设定的参考转速，则产生负误差。此误差会馈入 PI 控制器。PI 控制器是一种固件算法，用于计算转速偏差的补偿值。在初始 PWM 占空比的基础上加减此补偿值可得到新的占空比值。

主程序框图：

速度控制框图：

中断处理流程：

结论

在成本敏感型电机控制应用中，高效而灵活的单片机可大显身手。器件效率可针对外设集成度进行测量，从而优化控制任务、引脚和存储器数量以及封装尺寸。此外，如果需要不同的设计，易用性和上市时间也会显得尤为重要。本文介绍了低成本单片机如何满足上述需求，以及如何通过驱动器设置所需的参考转速、预测转子位置、实现控制算法、测量电机实际转速以及执行故障检测。

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