01

方案概述

本方案采用CW32F030C8T6作為主控芯片，采用無(wú)感方波控制算法控制無(wú)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(wú)感方波控制算法是一種簡(jiǎn)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(dòng)板仍然為CW32_BLDC_EVA V5開(kāi)發(fā)板，具體開(kāi)發(fā)板的信息可以翻看上一節(jié)《基于CW32的無(wú)刷空心杯電機(jī)有感控制驅(qū)動(dòng)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(wú)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(wú)強(qiáng)制要求，下面我們重心將放在對(duì)于無(wú)感方波控制的原理部分。

02

無(wú)感方波控制原理

無(wú)感方波控制（Sensorless Square Wave Control）是一種用于無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）驅(qū)動(dòng)的控制方法。與傳統(tǒng)的有感控制方法相比，無(wú)感方波控制不需要使用位置或速度傳感器來(lái)反饋電機(jī)狀態(tài)，而是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)自身的懸空相反電動(dòng)勢(shì)變化（Back Electromotive Force，簡(jiǎn)稱(chēng)BEMF）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。 在無(wú)感方波控制中，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的懸空相電壓的過(guò)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(dòng)。

2.1 梯形波

無(wú)感方波的驅(qū)動(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(huì)有一定的上升和下降時(shí)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(wú)刷直流電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(hào)

無(wú)感方波驅(qū)動(dòng)與有感最大的區(qū)別就在于獲取換相信號(hào)的方式不同，有感方波通過(guò)檢測(cè)三相霍爾信號(hào)的電平，再根據(jù)三相電平確定電機(jī)此時(shí)應(yīng)該運(yùn)行在的步狀態(tài)；無(wú)感方波是檢測(cè)梯形波“斜線”上的反電動(dòng)勢(shì)電壓來(lái)確定換相時(shí)刻。霍爾信號(hào)對(duì)應(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(lái)連接，而無(wú)感方波驅(qū)動(dòng)只需要檢測(cè)“斜線”上的“過(guò)零點(diǎn)”確定換相時(shí)刻后自動(dòng)換相到下一步狀態(tài)，而每一個(gè)步狀態(tài)對(duì)應(yīng)事先已經(jīng)安排好的開(kāi)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(duì)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(guò)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(dòng)思路

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



我們將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分為三種：停止、啟動(dòng)、運(yùn)行，其中停止?fàn)顟B(tài)不需要過(guò)多關(guān)注。首先是電機(jī)的啟動(dòng)，啟動(dòng)狀態(tài)首先要對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位，因?yàn)殡姍C(jī)在停止時(shí)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(duì)應(yīng)的 MOS 管通電，等待一小段轉(zhuǎn)子復(fù)位的時(shí)間后，轉(zhuǎn)子就在此步狀態(tài)中，然后進(jìn)入啟動(dòng)階段。

無(wú)感電機(jī)的啟動(dòng)也稱(chēng)為“強(qiáng)拖”，以復(fù)位時(shí)的步狀態(tài)為基準(zhǔn)，手動(dòng)換步，之后若檢測(cè)到 “過(guò)零點(diǎn)”，則切入第三種正常運(yùn)行的狀態(tài)，如果沒(méi)有檢測(cè)到，則提高占空比再手動(dòng)換步，嘗試一定次數(shù)后如果沒(méi)有成功則電機(jī)啟動(dòng)失敗。

正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在每次輸出 PWM 脈沖時(shí)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(dòng)勢(shì)在哪一相。取得反電動(dòng)勢(shì)后需要判斷是否已經(jīng)來(lái)到 “過(guò)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(dòng)勢(shì)大于 “過(guò)零點(diǎn)” 值，下降狀態(tài)需要判斷反電動(dòng)勢(shì)小于 “過(guò)零點(diǎn)”值。還需要注意的是，ADC的采樣時(shí)刻的選擇會(huì)影響到 “過(guò)零點(diǎn)”值的大小：如果是在 PWM 高電平時(shí)采集，則過(guò)零點(diǎn)值為電源電壓的一半；低電平時(shí)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(shí)采樣高電平，低于 50%時(shí)采樣低電平。

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

注意，電機(jī)在換相時(shí)由于新的電流通路的建立，電壓在換相處會(huì)產(chǎn)生尖峰毛刺，此時(shí)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(gè)通道比較產(chǎn)生 PWM 波用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，CH4為芯片內(nèi)部通道，無(wú)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(lái)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(dòng) ADC

ADC ：ADC 采樣的時(shí)鐘設(shè)置需要與 PWM 載波頻率結(jié)合，計(jì)算采樣時(shí)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(guò) DMA 傳輸自動(dòng)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(gè)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(shí)間間隔的記錄定時(shí)器，決定延遲多長(zhǎng)時(shí)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(gè) 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(hào)，PWM_ON_flag=1時(shí)啟動(dòng)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(shí)間
**Flag_Start_OK，判斷電機(jī)是否啟動(dòng)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(cè)到過(guò)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(dòng)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(kāi)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(kāi)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(shí)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(shí)間                  
  Step_Time=BTIM_GetCounter(CW_BTIM2);
  BTIM_SetCounter(CW_BTIM2,0);
  //電機(jī)未啟動(dòng)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(shí)間
   
  BTIM_SetCounter(CW_BTIM3,0);
  BTIM_Cmd(CW_BTIM3, ENABLE);
  //啟動(dòng)退磁 
  Flag_Demagnetize_State=1;//退磁狀態(tài) 
        
  HALLcount++;                  
}

接著是第二個(gè)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(shuō)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(dòng)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(duì)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(guò)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(dòng)勢(shì) V反電動(dòng)勢(shì) 母線電壓 W反電動(dòng)勢(shì) 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(guò)零點(diǎn)檢測(cè)計(jì)數(shù)  STCount = 15
**Flag_Confirm，啟動(dòng)確認(rèn)標(biāo)志位  
*/
void ADC_Process(void)
{
  static uint8_t count = 0;  //過(guò)零檢測(cè)計(jì)數(shù)
  uint32_t Voltage_Bus = 0;  //母線電壓
  uint8_t Flag_0V = 0;       //成功檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)標(biāo)志
        
  if(Flag_Demagnetize_State != 2)return; //說(shuō)明退磁未結(jié)束
        
  BEMFConvertedValue =SampleData[TAB_BEMFChannel[Cur_Step]];  //取得反電動(dòng)勢(shì)
  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(shí)采樣則與地比較電壓              
  else Voltage_Bus = SampleData[2];          //在PWM高電平時(shí)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(cè)到過(guò)零，則認(rèn)為確實(shí)過(guò)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(cè)到過(guò)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(cè)到固定數(shù)量的過(guò)零時(shí)，認(rèn)為啟動(dòng)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(shí)間                        
    BTIM_SetCounter(CW_BTIM3,0);
    BTIM_Cmd(CW_BTIM3, ENABLE);
  }  
} 

最后是電機(jī)的啟動(dòng)部分：

/*TimeCountTemp，計(jì)時(shí)，1ms增加1
**Com_time，     啟動(dòng)次數(shù)
**RAMP_TABLE[64]，存儲(chǔ)時(shí)間的數(shù)組
*/
do
  {                                                
    if(Direction == 0)               //與RisingFalling的順序要對(duì)應(yīng)
    {
      Cur_Step++;
      if(Cur_Step >= 6)Cur_Step = 0; //以復(fù)位時(shí)的步狀態(tài)為基準(zhǔn)，手動(dòng)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(guò)零點(diǎn)檢測(cè)
    {
      if(Flag_Confirm == 1 || Flag_Start_OK == 1)break;  //啟動(dòng)成功則不再執(zhí)行do.....while里的內(nèi)容
    }


    Com_time++;
    OutPwm+=10;  //沒(méi)有啟動(dòng)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(dòng)成功/超出啟動(dòng)次數(shù)/啟動(dòng)報(bào)錯(cuò)

04

調(diào)試心得

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

退磁延遲時(shí)間和延遲換相時(shí)間的設(shè)置會(huì)影響電機(jī)的性能，過(guò)早地?fù)Q相會(huì)降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩，過(guò)晚地?fù)Q相會(huì)使電機(jī)電流過(guò)大，效率較低發(fā)熱嚴(yán)重。

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

電機(jī)的啟動(dòng)需要緩慢進(jìn)行，不可以將 PWM 的占空比增加過(guò)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(cè)設(shè)置要與數(shù)組 TAB_RisingFalling 里的 Rising 和 Falling 順序?qū)?yīng)，否則會(huì)啟動(dòng)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(shí)仍保有較多的能量，所以在 MOS 管關(guān)斷期間的反電動(dòng)勢(shì)較高，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加此電壓的大小呈上升態(tài)勢(shì)。對(duì)于 “過(guò)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(shí)的一相電壓波形。

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審核編輯：劉清