求一種基于CW32的無刷直流空心杯電機(jī)無感方波控制驅(qū)動方案

01

方案概述

本方案采用CW32F030C8T6作為主控芯片，采用無感方波控制算法控制無刷直流空心杯電機(jī)。CW32F030C8T6是一款高性能、低功耗的32位微控制器，具有豐富的片上外設(shè)資源，可以適合用于電機(jī)控制。無感方波控制算法是一種簡單有效的電機(jī)控制算法，不需要使用霍爾傳感器，可以降低硬件成本。 本次采用的電機(jī)驅(qū)動板仍然為CW32_BLDC_EVA V5開發(fā)板，具體開發(fā)板的信息可以翻看上一節(jié)《基于CW32的無刷空心杯電機(jī)有感控制驅(qū)動方案》，采用的空心杯電機(jī)與上一節(jié)有所不同，這次使用的空心杯電機(jī)的額定電壓為 24 V。 由于本次采用無感方案，所以只需要將 U、V、W三相電源接上即可，并且三相的順序并無強(qiáng)制要求，下面我們重心將放在對于無感方波控制的原理部分。

02

無感方波控制原理

無感方波控制（Sensorless Square Wave Control）是一種用于無刷直流電機(jī)（BLDC）驅(qū)動的控制方法。與傳統(tǒng)的有感控制方法相比，無感方波控制不需要使用位置或速度傳感器來反饋電機(jī)狀態(tài)，而是通過檢測電機(jī)自身的懸空相反電動勢變化（Back Electromotive Force，簡稱BEMF）來實(shí)現(xiàn)控制。 在無感方波控制中，通過檢測電機(jī)的懸空相電壓的過零點(diǎn)，可以推斷出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行步狀態(tài)的切換即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。

2.1 梯形波

無感方波的驅(qū)動電路采用三相全橋逆變電路，在理想的情況下，三相全橋逆變電路的電壓波形如下圖2-1所示，每相導(dǎo)通角度為120°，相與相之間相隔120°。



無刷直流電機(jī)驅(qū)動所需的電流波形也是上圖里的方波，因?yàn)殡姍C(jī)存在漏感 L ，定子電流會有一定的上升和下降時間，所以使得理想的方波變成了梯形波。

從圖2-2中可以看出，無刷直流電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的三相電壓波形并不是圖2-1里的方波，而是梯形波。由于采用了脈寬調(diào)制計(jì)數(shù)（PWM），所以波形看上去由一道道脈沖組成。

2.2 確定換相信號

無感方波驅(qū)動與有感最大的區(qū)別就在于獲取換相信號的方式不同，有感方波通過檢測三相霍爾信號的電平，再根據(jù)三相電平確定電機(jī)此時應(yīng)該運(yùn)行在的步狀態(tài)；無感方波是檢測梯形波“斜線”上的反電動勢電壓來確定換相時刻?；魻栃盘枌?yīng)的相是確定的，所以電機(jī)的供電相也要根據(jù)霍爾相的順序來連接，而無感方波驅(qū)動只需要檢測“斜線”上的“過零點(diǎn)”確定換相時刻后自動換相到下一步狀態(tài)，而每一個步狀態(tài)對應(yīng)事先已經(jīng)安排好的開關(guān)管通斷，所以電機(jī)的供電相可以隨意連接。



PA0、PA1、PA5分別對應(yīng)CW32F030 ADC的0、1、5通道，我們使用ADC采集三相的電壓，但在“過零點(diǎn)”比較中我們實(shí)際使用的是未導(dǎo)通相，即懸空相的電壓。

2.3電機(jī)驅(qū)動思路

驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原理與上一章有感驅(qū)動的原理相同，本質(zhì)上是對電機(jī)定子的通電情況進(jìn)行控制，也稱為換相。這里我們結(jié)合上一章霍爾傳感器的信號波形與電機(jī)運(yùn)行時的三相電壓波形來看，如下圖。



我們將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分為三種：停止、啟動、運(yùn)行，其中停止?fàn)顟B(tài)不需要過多關(guān)注。首先是電機(jī)的啟動，啟動狀態(tài)首先要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位，因?yàn)殡姍C(jī)在停止時轉(zhuǎn)子可以在任何位置。確定轉(zhuǎn)子的位置可以給某一步狀態(tài)對應(yīng)的 MOS 管通電，等待一小段轉(zhuǎn)子復(fù)位的時間后，轉(zhuǎn)子就在此步狀態(tài)中，然后進(jìn)入啟動階段。

無感電機(jī)的啟動也稱為“強(qiáng)拖”，以復(fù)位時的步狀態(tài)為基準(zhǔn)，手動換步，之后若檢測到 “過零點(diǎn)”，則切入第三種正常運(yùn)行的狀態(tài)，如果沒有檢測到，則提高占空比再手動換步，嘗試一定次數(shù)后如果沒有成功則電機(jī)啟動失敗。

正常運(yùn)行狀態(tài)時，在每次輸出 PWM 脈沖時由比較器觸發(fā) ADC 采樣，根據(jù)當(dāng)前步狀態(tài)確定要使用的反電動勢在哪一相。取得反電動勢后需要判斷是否已經(jīng)來到 “過零點(diǎn)”，這里還需要判斷當(dāng)前步狀態(tài)是電壓上升還是下降狀態(tài)：上升狀態(tài)需要判斷反電動勢大于 “過零點(diǎn)” 值，下降狀態(tài)需要判斷反電動勢小于 “過零點(diǎn)”值。還需要注意的是，ADC的采樣時刻的選擇會影響到 “過零點(diǎn)”值的大?。喝绻窃?PWM 高電平時采集，則過零點(diǎn)值為電源電壓的一半；低電平時的比較值需要自己根據(jù)實(shí)際大小去調(diào)試。通常在 PWM 占空比大于 50% 時采樣高電平，低于 50%時采樣低電平。

暫時無法在飛書文檔外展示此內(nèi)容 在檢測到 “過零點(diǎn)” 之后，需要延遲一定的時間再進(jìn)行換相，以保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。延遲時間由定時器記錄的上次換相到本次換相的時間間隔，取其部分大小作為延遲時間。

注意，電機(jī)在換相時由于新的電流通路的建立，電壓在換相處會產(chǎn)生尖峰毛刺，此時進(jìn)行 ADC 電壓采集到的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，所以在換相后還需要進(jìn)行退磁狀態(tài)的判斷，如果處于退磁狀態(tài)，則本次不采樣。

03

軟件設(shè)計(jì)

3.1MCU資源分配

本次使用到的CW32內(nèi)部資源如下：

ATIM ：CH1、CH2、CH3 三個通道比較產(chǎn)生 PWM 波用于驅(qū)動電機(jī)，CH4為芯片內(nèi)部通道，無外部引腳，只有一路比較捕獲寄存器 (ATIM_CH4CCR)，且只能用于比較，不能用來捕獲。我們使用 CH4 的比較功能觸發(fā) DMA 傳輸。

DMA ：使用4路 DMA 通道：CH1、CH2、CH3、 CH4：

CH1 將 ADC 單次單通道的采樣結(jié)果傳入 RAM

CH2 將 ADC 的 CR1 寄存器的配置值從 RAM 傳入寄存器

CH3 將 ADC 的 START 寄存器的配置值從 RAM 傳入寄存器

CH1、CH2、CH3由 ADC 硬件觸發(fā)，CH4 由 ATIM 硬件觸發(fā),啟動 ADC

ADC ：ADC 采樣的時鐘設(shè)置需要與 PWM 載波頻率結(jié)合，計(jì)算采樣時間；采用單通道單次采樣，首次采樣由 ATIM 硬件觸發(fā)，ADC 轉(zhuǎn)換完畢后觸發(fā) DMA 傳輸，通過 DMA 傳輸自動改變采樣通道。這樣設(shè)置可以實(shí)現(xiàn) ATIM 觸發(fā)一次就采樣五個數(shù)據(jù)（U、V、W 相電壓、母線電壓、外部電位器調(diào)速電壓）

BTIM1 ：BTIM1 設(shè)置 1ms 進(jìn)入一次中斷，在中斷里改變標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)主程序的控制

BTIM2 ：BTIM2 作為換相時間間隔的記錄定時器，決定延遲多長時間后換相

BTIM3 ：BTIM3 設(shè)置中斷，在中斷里完成退磁和換相

3.2 部分重要程序介紹

操作 ATIM CH4 的 CCR 寄存器，可以選擇 ADC 在一個 PWM 周期內(nèi)不同位置的采樣：

CW_ATIM->CH4CCR=（數(shù)字）;

首先是核心函數(shù)：調(diào)制換相

/*step,為當(dāng)前換相序號，PWM_ON_flag=1時啟動PWM輸出
**Step_Last，記錄上一次步狀態(tài)用于 PWM 占空比的刷新
**Step_Time，記錄上一次換相時間
**Flag_Start_OK，判斷電機(jī)是否啟動成功
**Flag_Demagnetize_State，判斷退磁狀態(tài)，1：需要退磁；2：退磁完成；3：檢測到過零點(diǎn)，可以換相
**HALLcount，記錄換相次數(shù)用于轉(zhuǎn)速計(jì)算
*/
void Commutation(uint32_t step,uint32_t PWM_ON_flag)
{
  if(PWM_ON_flag==0) //不啟動則關(guān)閉輸出
  {
    CW_ATIM->CH1CCRA=0;CW_ATIM->CH2CCRA=0;CW_ATIM->CH3CCRA=0;        
    PWM_AL_OFF; PWM_BL_OFF;PWM_CL_OFF;
    CW_ATIM->CH4CCR=PWM_TS-800;                                        
    return;
  }                         
  //關(guān)閉下管           
       if(step==0||step==5){PWM_AL_OFF;PWM_CL_OFF;}
  else if(step==1||step==2){PWM_AL_OFF;PWM_BL_OFF;}
  else if(step==3||step==4){PWM_BL_OFF;PWM_CL_OFF;}
  //打開上管                
  if(step==0||step==1){CW_ATIM->CH2CCRA=0;CW_ATIM->CH3CCRA=0;CW_ATIM->CH1CCRA=OutPwm;}
  if(step==2||step==3){CW_ATIM->CH1CCRA=0;CW_ATIM->CH3CCRA=0;CW_ATIM->CH2CCRA=OutPwm;}
  if(step==4||step==5){CW_ATIM->CH1CCRA=0;CW_ATIM->CH2CCRA=0;CW_ATIM->CH3CCRA=OutPwm;}
  //打開下管                            
  if(step==0||step==5){PWM_BL_ON;}//AB
  else if(step==1||step==2){PWM_CL_ON;}//AC
  else if(step==3||step==4){PWM_AL_ON;}//BA
                
  Step_Last=step;
  //判斷占空比修改采樣時刻      
  if(OutPwm>=1200&&Flag_ON_or_OFF==0){Flag_ON_or_OFF=1;CW_ATIM->CH4CCR=300;}        
  else  if(OutPwm<1200&&Flag_ON_or_OFF==1){Flag_ON_or_OFF=0;CW_ATIM->CH4CCR=PWM_TS-600;        }
  //記錄上一次的換相時間                  
  Step_Time=BTIM_GetCounter(CW_BTIM2);
  BTIM_SetCounter(CW_BTIM2,0);
  //電機(jī)未啟動則快速換相                
  if(Flag_Start_OK==0)
  BTIM_SetAutoreload(CW_BTIM3,Step_Time/8);        
  else 
  BTIM_SetAutoreload(CW_BTIM3,Step_Time/6);//退磁延遲時間
   
  BTIM_SetCounter(CW_BTIM3,0);
  BTIM_Cmd(CW_BTIM3, ENABLE);
  //啟動退磁 
  Flag_Demagnetize_State=1;//退磁狀態(tài) 
        
  HALLcount++;                  
}

接著是第二個核心：換相。

/*Direction，電機(jī)運(yùn)行方向，0：步狀態(tài)012345，1：步狀態(tài)054321
**Cur_Step，電機(jī)目前的步狀態(tài)，步狀態(tài)正常運(yùn)行順序?yàn)?012345、543210。0：AB、1：AC ……
*/
void BTIM3_IRQHandler(void)
{
  if(BTIM_GetITStatus(CW_BTIM3, BTIM_IT_OV))
  {  
    BTIM_ClearITPendingBit(CW_BTIM3, BTIM_IT_OV);
                
    if(Flag_Demagnetize_State == 1)  //說明退磁結(jié)束后第一次進(jìn)入BTIM3中斷
    {
      Flag_Demagnetize_State = 2;    //退磁結(jié)束標(biāo)志
      BTIM_Cmd(CW_BTIM3, DISABLE);
    }
    else if(Flag_Demagnetize_State == 3 && Flag_Start_OK == 1) //退磁完成和啟動成功后，決定下一次換相
    {
      BTIM_Cmd(CW_BTIM3, DISABLE);
      
      if(Direction == 0)          //與RisingFalling的順序要對應(yīng)
      {
        Cur_Step++;
        if(Cur_Step == 6)Cur_Step = 0;
      }
      else
      {
        if(Cur_Step == 0)Cur_Step = 5;
        else Cur_Step--;
      }
      Commutation(Cur_Step,Motor_Start_F);
    }
  }
}

過零點(diǎn)比較函數(shù)如下，此函數(shù)在 ADC 完成五次采樣后調(diào)用。

/*SampleData[5] U反電動勢 V反電動勢 母線電壓 W反電動勢 電位器調(diào)速電壓值
**TAB_BEMFChannel[6]={3,1,0,3,1,0};
**TAB_RisingFalling[2][6]={//判斷此刻電壓為上升沿還是下降沿，Rising=1;Falling=2
  {FALLING,RISING,FALLING,RISING,FALLING,RISING},
  {RISING,FALLING,RISING,FALLING,RISING,FALLING} }
**Flag_ON_or_OFF，高低電平采樣標(biāo)志位 
**RisingFalling，上升沿下降沿比較標(biāo)志位  
**Count_0V，過零點(diǎn)檢測計(jì)數(shù)  STCount = 15
**Flag_Confirm，啟動確認(rèn)標(biāo)志位  
*/
void ADC_Process(void)
{
  static uint8_t count = 0;  //過零檢測計(jì)數(shù)
  uint32_t Voltage_Bus = 0;  //母線電壓
  uint8_t Flag_0V = 0;       //成功檢測到過零點(diǎn)標(biāo)志
        
  if(Flag_Demagnetize_State != 2)return; //說明退磁未結(jié)束
        
  BEMFConvertedValue =SampleData[TAB_BEMFChannel[Cur_Step]];  //取得反電動勢
  RisingFalling=TAB_RisingFalling[Direction][Cur_Step];       //判斷上升沿還是下降沿
        
  if(Flag_ON_or_OFF == 0)Voltage_Bus = 50；   //在PWM低電平時采樣則與地比較電壓              
  else Voltage_Bus = SampleData[2];          //在PWM高電平時采樣則與電源正極比較電壓
        
  if(RisingFalling == FALLING)
  {
    if(BEMFConvertedValue < Voltage_Bus)
    {
      count++;
      if(count >= 2)                        //連續(xù)兩次都檢測到過零，則認(rèn)為確實(shí)過零了
      {
        count = 0;
        Flag_Demagnetize_State = 3;        //退磁完成，可以換相
                                
        Count_0V++;
        Flag_Confirm = 1;
        Flag_0V = 1;                      //成功檢測到過零點(diǎn)
      }
    }
    else count = 0;
  }
  else if(RisingFalling == RISING)
  {
    if(BEMFConvertedValue > Voltage_Bus)
    {
      count++;
      if(count >= 2)
      {
        count = 0;
        Flag_Demagnetize_State = 3;
                                
        Count_0V++;
        Flag_Confirm = 1;
        Flag_0V = 1;
      }
    }
    else count = 0;
  }
        
  if(Count_0V >= STCount && Flag_Start_OK == 0)   
  {  
    Flag_Start_OK = 1;    //連續(xù)檢測到固定數(shù)量的過零時，認(rèn)為啟動成功
  }        
        
  if(Flag_Start_OK == 1 && Flag_0V == 1)
  {
    Flag_0V = 0;
                
    BTIM_SetAutoreload(CW_BTIM3,Step_Time/8); //換相延遲時間                        
    BTIM_SetCounter(CW_BTIM3,0);
    BTIM_Cmd(CW_BTIM3, ENABLE);
  }  
} 

最后是電機(jī)的啟動部分：

/*TimeCountTemp，計(jì)時，1ms增加1
**Com_time，     啟動次數(shù)
**RAMP_TABLE[64]，存儲時間的數(shù)組
*/
do
  {                                                
    if(Direction == 0)               //與RisingFalling的順序要對應(yīng)
    {
      Cur_Step++;
      if(Cur_Step >= 6)Cur_Step = 0; //以復(fù)位時的步狀態(tài)為基準(zhǔn)，手動換步
    }
    else
    {
      if(Cur_Step == 0)Cur_Step = 5;
      else Cur_Step--;
    }


    Flag_Confirm = 0;
    if(Flag_Start_OK == 0)        
    {
      Commutation(Cur_Step,Motor_Start_F); 
    }  
    TimeCountTemp = 0;
    while(TimeCountTemp < RAMP_TABLE[Com_time]) //等待過零點(diǎn)檢測
    {
      if(Flag_Confirm == 1 || Flag_Start_OK == 1)break;  //啟動成功則不再執(zhí)行do.....while里的內(nèi)容
    }


    Com_time++;
    OutPwm+=10;  //沒有啟動則依次提高占空比
  }while(Flag_Start_OK==0 && Com_time<60 && ErrorCode==0);  
  //跳出循環(huán)則 啟動成功/超出啟動次數(shù)/啟動報(bào)錯

04

調(diào)試心得

在調(diào)試電機(jī)的過程中要做好限流保護(hù)，電機(jī)換相失敗會導(dǎo)致其停在某一相，對應(yīng)的MOS 管持續(xù)導(dǎo)通。

退磁延遲時間和延遲換相時間的設(shè)置會影響電機(jī)的性能，過早地?fù)Q相會降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩，過晚地?fù)Q相會使電機(jī)電流過大，效率較低發(fā)熱嚴(yán)重。

電壓比較值的設(shè)置同樣會造成上一條的影響，在低電平時采樣比較的值如果設(shè)置過小，會造成上升沿處換相過早、下降沿處換相過晚的后果。

電機(jī)的啟動需要緩慢進(jìn)行，不可以將 PWM 的占空比增加過快，否則電機(jī)容易換相失敗。

BTIM3中斷服務(wù)程序里的方向檢測設(shè)置要與數(shù)組 TAB_RisingFalling 里的 Rising 和 Falling 順序?qū)?yīng)，否則會啟動失敗。

由于空心杯電機(jī)的內(nèi)部為三角形接線，在 PWM 低電平時仍保有較多的能量，所以在 MOS 管關(guān)斷期間的反電動勢較高，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加此電壓的大小呈上升態(tài)勢。對于 “過零點(diǎn)” 電壓數(shù)據(jù)的設(shè)置也需要適應(yīng)這種變化，下圖展示了空心杯電機(jī)運(yùn)行在 35000 rpm 時的一相電壓波形。

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審核編輯：劉清