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无刷电机控制器做一款无刷电机控制器，写个总结

发布时间 : 2024-10-07

作者 : 小编

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做一款无刷电机控制器，写个总结

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。

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技术资料汇总：BLDC无刷电机基础+电调设计全攻略等干货_工业电子与自动化-面包板社区板子外观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。

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);

}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% startBLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相Delay_MS(200);speed_duty=pwm;timer = 300;while(1){for(i=0;i<timer; i++){Delay_US(120); //等待}timer-= timer/25+1;if(timer < 25){ if(TEST_MANUELL){timer = 25; //开环强制换向}else{bldc_dev.motor_state=RUN;break;} }Phase++;Phase %= 6;BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //}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.

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);

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

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图解：无刷电机工作及控制原理，写的真好

分享一篇关于无刷电机的工作原理一些知识，确保只要有高一物理知识的朋友就能够看得懂，希望有兴趣的朋友耐心往下看，相互学习!

首先给大家复习几个基础定则：左手定则、右手定则、右手螺旋定则。 别懵逼，我下面会给大家解释。

左手定则，这个是电机转动受力分析的基础，简单说就是磁场中的载流导体，会受到力的作用。

让磁感线穿过手掌正面，手指方向为电流方向，大拇指方向为产生磁力的方向，我相信喜欢玩模型的人都还有一定物理基础的哈哈。

右手定则，这是产生感生电动势的基础，跟左手定则的相反，磁场中的导体因受到力的牵引切割磁感线产生电动势。

让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生的电动势方向。为什么要讲感生电动势呢?不知道大家有没有类似的经历，把电机的三相线合在一起，用手去转动电机会发现阻力非常大，这就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生电流，磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力，大家就会感觉转动有很大的阻力。不信可以试试。

三相线分开，电机可以轻松转动

三相线合并，电机转动阻力非常大

右手螺旋定则，用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。

这个定则是通电线圈判断极性的基础，红色箭头方向即为电流方向。

看完了三大定则，我们接下来先看看电机转动的基本原理。

第一部分：直流电机模型

我们找到一个中学物理学过的直流电机的模型，通过磁回路分析法来进行一个简单的分析。

状态1

当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则，会产生方向指向右的外加磁感应强度B(如粗箭头方向所示)，而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。

当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大。注意这里说的是“力矩”最大，而不是“力”最大。诚然，在转子磁场与外部磁场方向一致时，转子所受磁力最大，但此时转子呈水平状态，力臂为0，当然也就不会转动了。补充一句，力矩是力与力臂的乘积。其中一个为零，乘积就为零了。

当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用，但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动。

状态2

如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作，就叫做换相。补充一句：何时换相只与转子的位置有关，而与其他任何量无直接关系。

第二部分：三相二极内转子电机

一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做个简单分析。

上图显示了定子绕组的联结方式(转子未画出假想是个二极磁铁)，三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线A, B, C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意这是有顺序的。

第一阶段：AB相通电

当AB相通电，则A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所示，B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示，那么产生的合力方向即为绿色箭头所示，那么假设其中有一个二极磁铁，则根据“中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致”则N极方向会与绿色箭头所示方向重合。至于C，暂时没他什么事。

第二阶段：AC相通电

第三阶段：BC相通电

第四阶段：BA相通电

为了节省篇幅，我们就不一一描述CA\CB的模型，大家可以自己类推一下。以下为中间磁铁(转子)的状态图：

每个过程转子旋转60度

六个过程即完成了完整的转动，其中6次换相

第三部分：三相多绕组多极内转子电机

我们再来看一个复杂点的，图(a)是一个三相九绕组六极(三对极)内转子电机，它的绕组连线方式见图 (b)。从图(b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的，也属于星形联结方式。一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的(比如用9绕组6极，而不是6绕组6极)，这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸对齐。

其运动的原则是：转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势，而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。

即为S与N相互吸引，注意跟之前的分析方法有一定的区别。

好吧，还是再帮大家分析一下吧，

第一阶段：AB相通电

第二阶段：AC相通电

第三阶段：BC相通电

第四阶段：BA通电

第五阶段：CA通电

第六阶段：CB通电

以上为六个不同的通电状态，其中经历了五个转动过程。每个过程为20度。

第四部分：外转子无刷直流电机

看完了内转子无刷直流电机的结构，我们来看外转子的。 其区别就在于，外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片，贴到了外壳上，电机运行时，是整个外壳在转，而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说，转子的转动惯量要大很多(因为转子的主要质量都集中在外壳上)，所以转速较内转子电机要慢，通常KV值在几百到几千之间。也是航模主要运用的无刷电机。

顺便啰嗦一下吧。无刷电机KV值定义为：转速/V，意思为输入电压每增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。比如说，标称值为1000KV的外转子无刷电机，在11伏的电压条件下，最大空载转速即为：11000rpm(rpm的含义是：转/分钟)。

同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，扭力大;绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，扭力小。我先前测试过穿越机2204电机的极限电流，单电机能彪上25A，而2212系列电机15A都上不了。

外转子无刷直流电机的结构

分析方法也和内转子电机类似，大家可以自己分析一下，根据右手螺旋定理判断线圈的N/S极，转子永磁体的N极与定子绕组的S极有对齐(吸引)的趋势，转子永磁体的S极与定子绕组的N极有对齐(吸引)的趋势，从而驱动电机转动。

经典无刷电机2212 1000kv电机结构分析。

图为DJI 2312S电机和XXD 2212电机的(解剖图)

其结构如下：定子绕组固定在底座上，转轴和外壳固定在一起形成转子，插入定子中间的轴承。

图为xxd2212线圈拆解图

图为12绕组14极(即7对极)，电机绕组绕发图

后面画出了6种两相通电的情形，可以看出，尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化，但从电调控制的角度看，其通电次序其实是相同的，也就是说，不管外转子还是内转子电机，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。当然，如果你想让电机反转的话，电子方法是按倒过来的次序通电;物理方法直接对调任意两根线，假设A和B对调，那么顺序就是BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有没有发现这里顺序就完全倒过来了。