一、項目介紹

前言

手電鉆是一種常見的便攜式電動工具，它由一個電動馬達和一個可充電電池組成。這個電動馬達通過傳遞旋轉動力給機頭上的鉆頭，從而實現鉆孔、螺絲擰緊、切割或打磨等任務。一般來說，手電鉆通常有這幾個重要的部件：

（1）電動馬達：它是手電鉆的核心部件，負責產生動力并驅動鉆頭旋轉。不同型號的手電鉆功率不同。高功率的電動馬達可以提供更大的扭矩和更高的轉速，適用于處理堅硬材料或需要更快速度的工作。

（2）鉆頭：鉆頭是安裝在手電鉆機頭上的可更換配件，用于進行鉆孔或切割操作。鉆頭的尺寸和類型根據不同的工作需求而變化，例如木材鉆頭、金屬鉆頭、混凝土鉆頭等。一些手電鉆還可以配備其他類型的機頭，如螺絲刀頭、砂輪切割頭等。

（3）電池：手電鉆通常使用可充電電池供電，這樣可以使其更加便攜和靈活。電池容量的大小決定了工作時間的長短，較大容量的電池可以提供更長時間的使用。一些手電鉆還支持快速充電功能，在短時間內充滿電池以提高工作效率。

手柄和握把：手電鉆通常具有一個手柄和一個握把，使操作更加穩定和舒適。手柄是保持平衡和穩定的主要手部支撐，而握把則用于按下觸發器按鈕和控制手電鉆的方向。

（4）手電鉆的設計和功能使其成為許多家庭維修、裝飾和建筑工作中不可或缺的工具。它的便攜性、靈活性和易于使用使得用戶可以在各種材料上進行精確的鉆孔和切割操作。

2.CW32手電鉆驅動板介紹

1.2.1簡介

在本項目中，我們使用CW32手電鉆驅動板驅動手電鉆的無刷電機，電池使用18V電池組。建議功率100~200W；該驅動板具有欠壓保護、過壓保護、過流保護、堵轉保護、電量檢測、正反轉切換，剎車等功能。可廣泛應用于各類無刷電機的控制。

1.2.2項目組成

（1）CW32主控芯片：

控制器的選擇對于整個項目來說特別重要。好的控制器能產生事半功倍的效果，這是整個項目的大腦，它負責控制電機的運行和參數調節。而CW32主控芯片的高性能和低功耗的特點，完全能勝任整個項目的要求。

（2）無刷電機：

無刷電機是項目的核心部分，相比傳統的有刷直流電機，它壽命更長、穩定性更好、效率更高，能產生的功率更大。

（3）硬件電路：

包含控制電路，電流采集電路，母線電壓采集電路，反電動勢采集電路，電源電路。

（4）軟件編寫：

包含電機驅動代碼，高壓，低壓保護。電流保護，速度異常保護，空載保護、電量檢測、正反轉切換，剎車等。

二、電路設計說明

CW32手電鉆驅動板硬件設計包含3個部分：無刷驅動電路，電源控制電路，單片機及外設。

2.1 無刷驅動部分

無刷電機的驅動又分為反電動勢檢測、電流采集、電源電壓采集，和MOS驅動電路。

2.1.1 反電動勢檢測

根據法拉第電磁感應定律和楞次定律，轉子旋轉的時候會在定子繞組中產生感應電勢，該感應電勢的方向與繞組的電壓相反，極性與勵磁電壓相反，故一般稱為反電動勢或反電勢。

本次使用的反電動勢采樣電路如下，一段接電機的三個相線，另外一端接單片機的三個ADC輸入引腳，中間使用電阻對反電動勢的電壓進行分壓。

2.1.2 電源電壓采集

在無刷電機運轉過程中，需要在每個控制周期將母線電壓與懸空相的端電壓進行比較，從而獲得反電動勢過零點，在檢測到反電動勢過零之后，延時30°電角度即可進行換相操作。在PWM的關斷時間內采集時，此時的理論的中性點電壓為0V；在PWM的開通時間內采集時，此時理論的母線電壓為電源電壓的一半。

由于在TON時刻采樣時需要母線電壓的一半與反電動勢進行比較，以確定零點的位置，所以在電路設計中，我們將直接將電源電壓采集電路的分壓電阻設置為200k和5.1k，為上述的反電動勢采集電路的分壓比的二分之一，這樣ADC采集出來的值就不再需要多余的運算，減少了MCU的負擔

2.1.3 電流采集

本項目中使用運放對采樣電阻上的電壓進行放大，偏置電壓為1V左右，放大倍率為11倍。

2.1.4 MOS驅動電路

本項目中柵極MOS的驅動芯片使用的是FD6288。

FD6288T&Q 是一款集成了三個獨立的半橋柵極驅動集成電路芯片，專為高壓、高速驅動 MOSFET 設計，可在高達+250V 電壓下工作。

FD6288T&Q 內置 VCC/VBS 欠壓（UVLO）保護功能，防止功率管在過低的電壓下工作。FD6288T&Q 內置直通防止和死區時間，防止被驅動的高低側 MOSFET 直通，有效保護功率器件。

FD6288T&Q 內置輸入信號濾波，防止輸入噪聲干擾。

2.2 電源控制電路

2.2.1 上電邏輯

當手電鉆上的滑塊按下時，上圖中的NO_4和NO_5會連在一起，VIN將通過二極管和限流電阻流經三極管的基極，最后返回電源負極。

Q3三極管基極正偏，三極管導通。

Q1三極管基極接地，三極管導通，

VIN經過穩壓二極管后電壓降為11.5V左右

經過一個LDO，11.5V的電壓被穩到了5V，用于給單片機供電。

當單片機得電后，會將ON-OFF_CONTROL引腳拉高，使Q3三極管一直處于開通狀態，整個電源部分完成自鎖。

2.3 單片機及外設

本項目使用的是CW32F030系列的MCU，其采用先進的處理器架構和高頻率運行的CPU，具備較高的計算能力和響應速度。它可以處理復雜的算法和任務，并且在實時性要求較高的應用中有良好的性能表現。并且CW32通過優化的電源管理技術和低功耗設計，可以在工作時保持較低的功耗。CW32是一種廣泛應用的單片機，具有龐大的開發社區和資源支持。開發者能夠方便地獲取到豐富的官方文檔、軟件開發工具和例程等，以及來自其他開發者的經驗分享和技術支持。

2.3.1 CW32單片機核心系統

因為本項目不需要用到高精度時鐘和低速晶振進行長時間計時，因此則省略這部分電路。

2.3.2 指示燈

在電路板上，有三顆LED用于指示當前電池電量。三顆LED與MCU的連接均為灌電流模式

2.4 PCB實物圖

三、程序編寫說明

直流無刷電機由于定子繞組的反電動勢與電機的轉速成正比，所以電機在靜止時反電動勢為零或低速時反電動勢很小，此時無法根據反電動勢信號確定轉子磁極的位置。因此，反電動勢法需要采用特殊啟動技術，從靜止開始加速，直至轉速足夠大。通過反電勢能檢測到過零時，再切換至直流無刷電機運行狀態。這個過程稱為“三段式”啟動，主要包括轉子預定位、加速和運行狀態切換三個階段。這樣既可以使電機轉向可控，又可以保證電機達到一定轉速后再進行切換，保證了啟動的可靠性。

電機轉子預定位

若要保證直流無刷電機能夠正常啟動，首先要確定轉子在靜止時的位置。

在小型輕載條件下，對于具有梯形反電勢波形的直流無刷電機來說，一般采用磁制動轉子定位方式。系統啟動時，任意給定一組觸發脈沖，在氣隙中形成一個幅值恒定、方向不變的磁通。只要保證其幅值足夠大，那么這一磁通就能在一定時間內將電機轉子強行定位在這個方向上。

在應用中，可以在任意一組繞組上通電一定時間，其中預定位的PWM占空比和預定位時間的長短設定值可由具體電機特性和負載決定，在實際應用中調試而得。

在預定位成功后，轉子在啟動前可達到預定的位置，為電機啟動做好準備。

電機的外同步加速

確定了電機轉子的初始位置后，由于此時定子繞組中的反電動勢仍為零，所以須人為改變電機的外施電壓和換相信號，使電機由靜止逐步加速運動。這一過程稱為外同步加速。對于不同的外施電壓調整方法和換相信號調整方法，外同步加速可劃分為三類：

換相信號頻率不變，逐步增大外施電壓使電機加速，稱為恒頻升壓法。

保持外施電壓不變，逐漸增高換相信號的頻率，使電機逐步加速，稱為恒壓升頻法。

在逐步增大外施電壓的同時，增高換相的頻率，稱為升頻升壓法。

各個方法都有其優點和缺點。如升頻升壓法是人為地給電機施加一個由低頻到高頻不斷加速的他控同步切換信號，而且電壓也在不斷地增加。通過調整電機換相頻率，即可調整電機啟動的速度。調整方法比較簡單。但是這個過程較難實現。切換信號的頻率的選擇要根據電機的極對數和其他參數來確定。太低，電機無法加速；太高，電機轉速達不到，會有噪聲甚至無法啟動，算法比較困難。

無論哪種方法，該過程都是在未檢測到反電動勢信號時進行。因此對于控制系統來說此段電機控制是盲區。參數在調試好的時候，可以快速切換至正常運行狀態；而參數不理想時，電流可能不穩甚至電機會抖動。因此，在應用中，應根據電機及負載特性設定合理的升速曲線，并在盡可能短的時間內完成切換。

電機運行狀態的轉換

當電機通過外同步加速到一定的轉速，反電勢信號可以準確檢測時，即可由外同步向自同步切換。可以通過試驗觀察反電勢信號能夠被準確檢測的轉速。在進行切換有兩種方法：一種是測速模塊可以測出電機的轉速，當達到這一轉速時即可進行切換；另一種，通過試驗檢測出達到預定切換轉速的時間，通過軟件定時器設置切換時間。

這一步是關鍵也是比較難實現的一步。有時軟件或者硬件設計的不合理都可能導致啟動失敗。通常是采用估算的方式來選擇切換速度。

通過上面的分析可知，無位置傳感器直流無刷電機控制系統的難點就是加速及切換階段。當電機順利啟動后，就可以對電機進行調速操作。其中，無位置傳感器直流無刷電機和有位置傳感器直流無刷電機調速原理一致。但，由于無感三段式啟動過程，轉子位置檢測無效。因此，對電機進行的速度PID閉環控制，須在電機啟動順利完成后進行。

本項目的程序框圖如下：在程序上電后，首先進行各種外設的初始化，完成后進入while循環里輪詢執行代碼。

審核編輯：劉清