BLDC電機(jī)原理以及開發(fā)板電機(jī)驅(qū)動能力評測（含工程源碼）

原創(chuàng) 面包板社區(qū) 2022-01-21 20:00
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前段時間公務(wù)繁忙，收到的MM32SPIN160C開發(fā)板也無暇顧及，趁周末時間，來體驗一下這款開發(fā)板的電機(jī)驅(qū)動能力。


一、硬件方面：
板卡為專用電機(jī)驅(qū)動板，因此底板加了一塊散熱片，開發(fā)板的四腳加了腳墊，以便更好地散熱，防止底板電路與金屬物件接觸而導(dǎo)致短路。開發(fā)板采用ARM Cortex-M0的32位MCU，MCU最高工作頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)置高速存儲器，豐富的I/O 端口和外設(shè)連接到外部總線。具有1個12位的ADC、1個比較器、1個16位通用定時器、1個32位通用定時器、3個16位基本定時器和1個16位高級定時器。還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，即1個I2C接口、1個SPI接口和1個UART接口。適合開發(fā)吊風(fēng)扇，電動工具，三相永磁無刷電機(jī)等多種應(yīng)用場合。
? ?? ? 由MM32SPIN160C的名稱可知該型號的基礎(chǔ)配置

? ?? ? 開發(fā)板主要功能列表：
①、輸入電壓范圍: 12V~28V
②、使用60V/40A N-MOS管*6
③、使用外掛(SPIN0x) GBW 6MHz 高速運(yùn)放*4
④、MCU 電源使用5V
⑤、支持有/無霍, 方波/弦波驅(qū)動
⑥、支持1/2 Shunt R 三相電流采樣
⑦、BEMF 電壓回授使用ADC 采樣
⑧、DC Bus 電壓, 總電流量測
⑨、使用MCU 內(nèi)建比較器做為過電流保護(hù)
? ?? ? 在淘寶上買了個尼得科無刷電機(jī)，無刷電機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是沒有碳刷轉(zhuǎn)換器，壽命長，適合長時間工作的場所。
? ?? ?【額定電壓】DC 12V
? ?? ?【空載電流】1A
? ?? ?【額定功率】10W
? ?? ?【空載轉(zhuǎn)速】12000轉(zhuǎn)/分鐘
? ?? ?【適合電壓】6-12V（6000-12000轉(zhuǎn)）
? ?? ?【重量】130克

? ?? ?? ? 電機(jī)的接口線路如下圖所示：


二、電路圖方面
? ?? ?關(guān)于該開發(fā)板的PCBA點(diǎn)位圖如下：

開發(fā)板的電路原理圖如下：


三、開發(fā)環(huán)境方面
板上集成了JLink調(diào)試接口，支持串行調(diào)試(SWD)，官方提供的資源包中包括基本工程示例，可使用IAR、MDK工具打開，本人習(xí)慣使用MDK，因此將基本工程示例導(dǎo)入進(jìn)Keil中，如果電腦聯(lián)網(wǎng)，此時會提示安裝“MindMotion.MM32SPIN0x_DFP.1.0.8”pack包；如果電腦處于離線狀態(tài)，可從靈動微官網(wǎng)下載基于MM32SPIN160C開發(fā)板的pack包，如下附件，然后將pack導(dǎo)入Keil工具中，而后直接編譯即可。


將JLink燒錄器與開發(fā)板上的CN7接口相連接，Keil中設(shè)置SWD模式，即可識別到調(diào)試器，并設(shè)置燒錄后自動重啟。


然后將開發(fā)板上CN1、CN2、CN3與電機(jī)、電源適配器正確連接，由于板卡支持12~28V的電壓輸入，而電機(jī)的額定電壓是12V，因此采用12V/1A的電源適配器，實(shí)物連線圖如下：




采用不帶霍爾的輪詢控制方式，直接燒錄后，電機(jī)起震，沒有如期得向逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)象如同是前進(jìn)兩步后退兩步，一直在抖動。在線調(diào)試，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動換相函數(shù)存在問題，每種無刷電機(jī)的接線有所差異。關(guān)于BLDC電機(jī)，推薦看看TI的技術(shù)視頻教程深入理解無刷直流電機(jī)（BLDC）原理以及控制，關(guān)于有刷電機(jī)與無刷電機(jī)的工作原理如下：

??? ? 由上圖，有刷電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是定子+轉(zhuǎn)子+電刷，通過旋轉(zhuǎn)磁場獲得轉(zhuǎn)動力矩，從而輸出動能。電刷與換向器不斷接觸摩擦，在轉(zhuǎn)動中起到導(dǎo)電和換相作用。有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，磁極不動，線圈旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。

? ? ? ?由上圖，無刷電機(jī)中，換相的工作交由控制器中的控制電路(一般為霍爾傳感器+控制器，更先進(jìn)的技術(shù)是磁編碼器)來完成。無刷電機(jī)采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。無刷電機(jī)，是使用一套電子設(shè)備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅(qū)動電機(jī)，消除了有刷電機(jī)的缺點(diǎn)。
? ?? ? 四、工程源碼
部分源碼如下：

  1. #include "sys.h"


  3. typedef enum {

  4. ? ? CW? ?? ?= 0,? ? // 順時鐘方向

  5. ? ? CCW? ???= 1? ???// 逆時針方向

  6. } motor_dir_t;


  8. typedef enum {

  9. ? ? START? ?= 0,? ? // 啟動

  10. ? ? STOP? ? = 1,? ? // 停機(jī)

  11. ? ? RUN? ???= 2? ???// 運(yùn)行

  12. } motor_state_t;


  14. typedef struct{

  15. ? ? motor_dir_t tMotorDirection;? ?? ???// 電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向

  16. ? ? motor_state_t tMotorState;? ?? ?? ? // 電機(jī)狀態(tài)

  17. ? ? uint16_t tDuty;? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?// 速度占空比：0~100??為100是占空比為100%

  18. ? ? uint16_t tSpeed;? ?? ?? ?? ?? ?? ???// 電機(jī)轉(zhuǎn)速

  19. ? ? uint8_t chHallValue;? ?? ?? ?? ?? ? // 霍爾狀態(tài)

  20. ? ? struct{

  21. ? ?? ???uint8_t chStartCount;? ?? ?? ???// 啟動計數(shù)

  22. ? ?? ???uint16_t hwTimeCount;? ?? ?? ???// 堵轉(zhuǎn)超時溢出計數(shù)

  23. ? ? }tCount;

  24. }User_TypeDef_t;


  26. volatile User_TypeDef_t g_tMotor = {

  27. ? ? CW,

  28. ? ? START,

  29. ? ? 40,

  30. ? ? 0,

  31. ? ? 1,

  32. ? ? 0,

  33. ? ? 0

  34. };


  36. extern void Bldc_Phase_Chaneg(uint8_t step);

  37. extern void Hall_Exti_Callback(void);

  38. extern void Systick_Callback(void);


  40. int main(void)

  41. {

  42. ? ? Systick_Init();

  43. ? ?

  44. ? ? Led_Init();

  45. ? ? Hall_Init();

  46. ? ? Bldc_Pwm_Init();

  47. ? ? Gate_Driver_Init();


  49. ? ? while(1) {

  50. ? ?? ???switch(g_tMotor.tMotorState) {

  51. ? ?? ?? ?? ?case START:? ?? ?? ?// 電機(jī)啟動

  52. ? ?? ?? ?? ?? ? if(++g_tMotor.tCount.chStartCount > 20){? ? //電機(jī)啟動失敗

  53. ? ?? ?? ?? ?? ?? ???g_tMotor.tMotorState = STOP;

  54. ? ?? ?? ?? ?? ?? ???g_tMotor.tCount.chStartCount = 0;

  55. ? ?? ?? ?? ?? ? }

  56. ? ?? ?? ?? ?? ? SET_DUTY_U(BLDC_TIM_PERIOD * g_tMotor.tDuty / 100);

  57. ? ?? ?? ?? ?? ? SET_DUTY_V(BLDC_TIM_PERIOD * g_tMotor.tDuty / 100);

  58. ? ?? ?? ?? ?? ? SET_DUTY_W(BLDC_TIM_PERIOD * g_tMotor.tDuty / 100);

  59. ? ?? ?? ?? ?? ? GATE_DRIVER_ENABLE();

  60. ? ?? ?? ?? ?? ? Hall_Exti_Callback();

  61. ? ?? ?? ?? ?? ? Systick_Delay(5);

  62. ? ?? ?? ?? ?? ? break;

  63. ? ?? ?? ?? ?case RUN:? ?? ?? ?// 電機(jī)運(yùn)行

  64. ? ?? ?? ?? ?? ? if (0){//some err

  65. ? ?? ?? ?? ?? ?? ???g_tMotor.tMotorState = STOP;

  66. ? ?? ?? ?? ?? ? }

  67. ? ?? ?? ?? ?? ? Hall_Exti_Callback();

  68. ? ?? ?? ?? ?? ? break;

  69. ? ?? ?? ?? ?case STOP:? ?? ?? ?// 停機(jī)

  70. ? ?? ?? ?? ?? ? GATE_DRIVER_DISABLE();

  71. ? ?? ?? ?? ?? ? BLDC_UH_DISABLE();

  72. ? ?? ?? ?? ?? ? BLDC_UL_DISABLE();

  73. ? ?? ?? ?? ?? ? BLDC_VH_DISABLE();

  74. ? ?? ?? ?? ?? ? BLDC_VL_DISABLE();

  75. ? ?? ?? ?? ?? ? BLDC_WH_DISABLE();

  76. ? ?? ?? ?? ?? ? BLDC_WL_DISABLE();

  77. ? ?? ?? ?? ?? ? break;

  78. ? ?? ???}

  79. ? ? }

  80. }


  82. void Bldc_Phase_Chaneg(uint8_t step)

  83. {

  84. ? ? ? ? Systick_Delay(5);? ? //為了更好得看清楚，稍加延時

  85. ? ? ? ? switch(step) {

  86. ? ?? ???case 3: //A+ C-

  87. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UH_ENABLE();

  88. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_DISABLE();

  89. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VH_DISABLE();;

  90. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VL_DISABLE();

  91. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WH_DISABLE();

  92. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WL_ENABLE();

  93. ? ?? ?? ?? ?break;

  94. ? ?? ???case 1: //B+ C-

  95. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UH_DISABLE();

  96. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_DISABLE();

  97. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VH_ENABLE();

  98. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? BLDC_VL_DISABLE();

  99. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WH_DISABLE();

  100. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WL_ENABLE();

  101. ? ?? ?? ?? ?break;

  102. ? ?? ???case 5: //B+ A-

  103. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UH_DISABLE();

  104. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_ENABLE();

  105. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???BLDC_VH_ENABLE();

  106. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VL_DISABLE();

  107. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WH_DISABLE();

  108. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WH_DISABLE();

  109. ? ?? ?? ?? ?break;

  110. ? ?? ???case 4: //C+ A-

  111. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UH_DISABLE();

  112. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_ENABLE();

  113. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VH_DISABLE();

  114. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VL_DISABLE();

  115. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???BLDC_WH_ENABLE();

  116. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WL_DISABLE();

  117. ? ?? ?? ?? ?break;

  118. ? ?? ???case 6: //C+ B-

  119. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UH_DISABLE();

  120. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_DISABLE();

  121. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VH_DISABLE();

  122. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VL_ENABLE();

  123. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???BLDC_WH_ENABLE();

  124. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WL_DISABLE();

  125. ? ?? ?? ?? ?break;

  126. ? ?? ???case 2: //A+ B-

  127. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?BLDC_UH_ENABLE();

  128. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_DISABLE();

  129. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VH_DISABLE();

  130. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VL_ENABLE();

  131. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WH_DISABLE();

  132. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WL_DISABLE();

  133. ? ?? ?? ?? ?break;

  134. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

  135. ? ?? ???default:

  136. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UH_DISABLE();

  137. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_DISABLE();

  138. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VH_DISABLE();

  139. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VL_DISABLE();

  140. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WH_DISABLE();

  141. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WL_DISABLE();

  142. ? ?? ?? ?? ?break;

  143. ? ? }

  144. ? ? ? ?

  145. }


  147. void Systick_Callback(void)

  148. {

  149. ? ? if(RUN == g_tMotor.tMotorState) {

  150. ? ?? ???g_tMotor.tCount.hwTimeCount ++;

  151. ? ?? ???if(g_tMotor.tCount.hwTimeCount > 2000) { // 2s超時，電機(jī)卡住不運(yùn)轉(zhuǎn)超過2s時間

  152. ? ?? ?? ?? ?GATE_DRIVER_DISABLE();

  153. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UH_DISABLE();

  154. ? ?? ?? ?? ?BLDC_UL_DISABLE();

  155. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VH_DISABLE();

  156. ? ?? ?? ?? ?BLDC_VL_DISABLE();

  157. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WH_DISABLE();

  158. ? ?? ?? ?? ?BLDC_WL_DISABLE();

  159. ? ?? ?? ?? ?g_tMotor.tMotorState = STOP;

  160. ? ?? ?? ?? ?g_tMotor.tCount.hwTimeCount = 0;

  161. ? ?? ???}

  162. ? ? }

  163. }


  165. void Hall_Exti_Callback(void)

  166. {

  167. ? ? volatile uint8_t chStep = 0;

  168. //? ? chStep = (uint8_t)((HALL_PORT_U->IDR >> HALL_PINSOURCE_U) |

  169. //? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???(HALL_PORT_V->IDR >> (HALL_PINSOURCE_V - 1)) |

  170. //? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???(HALL_PORT_W->IDR >> (HALL_PINSOURCE_W - 2))) & 0x07;

  171. ? ? if(g_tMotor.tMotorState == STOP) {

  172. ? ?? ???return;

  173. ? ? }

  174. ? ? if((HALL_PORT_U ->IDR & HALL_PIN_U) != (uint32_t)Bit_RESET) {

  175. ? ?? ???chStep |= 0x01;

  176. ? ? }

  177. ? ? if((HALL_PORT_V ->IDR & HALL_PIN_V) != (uint32_t)Bit_RESET) {

  178. ? ?? ???chStep |= 0x02;

  179. ? ? }

  180. ? ? if((HALL_PORT_W ->IDR & HALL_PIN_W) != (uint32_t)Bit_RESET) {

  181. ? ?? ???chStep |= 0x04;

  182. ? ? }

  183. ? ? ? ? ? ? ? ?

  184. ? ? if (g_tMotor.chHallValue != chStep) {? ?//判斷是否換向

  185. ? ?? ???g_tMotor.tMotorState = RUN;

  186. ? ?? ???g_tMotor.chHallValue = chStep ;

  187. ? ? }


  189. ? ? if(g_tMotor.tMotorDirection == CCW) {? ?// 方向判斷

  190. ? ?? ???chStep =??7 - chStep;

  191. ? ? }

  192. ? ? Bldc_Phase_Chaneg(chStep);? ? //驅(qū)動換相

  193. ? ? ? ?

  194. ? ? g_tMotor.tCount.hwTimeCount = 0;

  195. }


? ???? Jumper設(shè)定為出廠設(shè)置狀態(tài)，工程編譯后，燒錄完成，電機(jī)順利啟動，代碼中稍加了點(diǎn)延時，方便更清楚得看到電機(jī)的轉(zhuǎn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)動又快又有勁，可與通用電動螺絲批相比較，但噪聲有點(diǎn)大，有待優(yōu)化。驅(qū)動工程源碼見如下附件，通過MM32SPIN160C電機(jī)驅(qū)動板的使用，體驗了靈動微MCU的庫函數(shù)與ST的相兼容，移植起來更便捷，如果靈動微有像ST一樣CubeMX開發(fā)工具就更強(qiáng)了。


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