【MPS电机研究院】+我的第一块电机驱动板的故事

meiyaolei · 2024 年5 月 10 日 11:36

第一块电机驱动板的故事

设计思路 ：最初，我设计电机驱动板是为了驱动一个直流电机，以满足一个电机工作项目的需求。我选择了H桥电路作为基本的驱动结构，因为H桥电路能够提供电机正反转的控制功能，这是直流电机驱动中常见的需求。为此，我选择了合适的MOSFET作为开关，设计了相应的驱动电路和逻辑控制电路，自己用一些旧的板子搭了一个电路出来，测试了一下直流电机的功能然而出现了蛮动不可控制的问题。随着项目的进展，我意识到使用无刷电机可能会更好地满足项目的需求。无刷电机具有更高的效率、更长的寿命和更低的噪音，这些特点使得它在许多应用中比直流电机更具优势。恰好，项目后续需要开发一个筋膜枪，考虑到无刷电机的性能和特点，我决定将电机驱动板的设计从直流电机转向无刷电机。

考虑点： 当时进行的时候当时就想，如果改用无刷电机的控制要电路可能就要复杂一些了，有可能需要用到MCU了，而且还要找无刷电机，还要找无刷电机的驱动电路等，好多需要考虑的，不能像驱动直流电机的电路那样了。

选择合适的无刷电机 ：首先，我根据筋膜枪的性能需求，选择了适合的无刷电机型号。这包括考虑电机的功率、转速、扭矩等参数，以确保其能够满足筋膜枪的工作要求。
设计无刷电机驱动电路 ：与直流电机不同，无刷电机需要更复杂的驱动电路。我选择了适当的电子调速器（ESC）作为无刷电机的驱动控制单元。ESC能够接收来自微控制器的PWM信号，通过内置的算法和电路来控制无刷电机的转速和方向。
设计逻辑控制电路 ：为了与ESC进行通信并控制无刷电机的运行，我设计了相应的逻辑控制电路。这包括微控制器的选型、PWM信号的产生和传输、以及与ESC之间的接口设计等。
优化散热设计 ：由于无刷电机在运行过程中会产生较高的热量，因此散热设计尤为重要。我通过增加散热片、优化散热布局和使用合适的散热材料来降低电机驱动板的温度，确保其在高温环境下能够稳定运行。

下面是直流电机的正反转原理图：

控制工作原理逻辑图：

MPS标准驱动MOS控制电路：

无刷电机的三相MOS控制电路是电机控制中非常关键的一部分，它使用多个沟道功率MOS管构成三相全桥，通过控制这六个MOS管的通断来完成电机的换相，从而驱动电机转动。而在无刷电机的运行过程中，对电流的检测是必不可少的，它有助于保护电机和控制器免受损坏，并提供对电机运行状态的监控。
三相直流无刷电机标准驱动：

参考的开源设计 ：我查阅了一些开源的电机驱动板设计，参考L298N电机驱动板的设计，无刷电机电路参加了企业开源的无刷驱动设计。参考设计为我提供了很多有用的信息，驱动电路的布局、元件的选择和驱动电路的保护措施等。

遇到的电机驱动难题及处理方法

遇到问题 ：在初次测试直流电机中，我发现电机启动时有较大的火花，且电机运行不稳定，而且根本没有办法控制转速。电流等。这主要是由于MOSFET的开关速度不匹配和驱动电路设计不合理导致的。所以后面果断更改为无刷电机的主要原因之一。

发烫：当电机驱动板长时间工作时，因为电流过大和散热不良而发烫。当时我通过增加散热片、改善散热布局和限制电流大小来解决这个问题。另一个是当时画板时线路不够粗，引起电路发烫。还有一个就是取样电阻封装太小，温度超高引起发烫。
烧板：烧板是由于当时的电路设计不合理、元件选型不当或不熟悉工作状况导致的。仔细检查电路设计，选择合适的元件，优划了走线从而解决烧板现象。
电磁干扰 ：当时驱动电机工作时，电机产生的电磁干扰导致电机运行不稳定和影响电路器件工作异常。我通过增加滤波电路、优化电路布局和选择合适的元件来降低电磁干扰，最主要的是电机离板子的位置远了一些，解决了问题，当时是无意中发现是电机电磁干扰，实验时线用的稍微长一点，板子工作正常，然而装到壳子里面就不行了，工作异常。

电机驱动电路设计风格

走大电流 ：第一选择大电流的MOSFET，对于需要走大电流的电机驱动电路而言，并设计合适的散热布局，如果实在是达不到要求，就重新布线增加锡的面积，铜的宽度，同时，我会限制电流大小，以防止电路过载。
散热风格 ：我的散热风格主要是通过在关键元件增加过孔，和铜的面积，给发热器件足够大的铜进行散热，另一个是给电机增加个小风叶，工作时，对电路板进行吹风，达到风冷的效果。
抗电磁干扰设计风格 ：为了降低电磁干扰，我当时在电路设计中增加滤波电路，增加了EMI器件，调整电路设计，优化电路布局，和合适的元件。同时，注意接地和屏蔽等电磁兼容性设计。

使用过的电机驱动芯片或 MOSFET

电机驱动芯片 ： * 我使用过MP6529、MP1924、EVQ6532、MP1922、MP6538、MP6501AGF 、 MP6530GR 等电机驱动芯片。选择这些芯片的原因主要是基于它们的性能和易用性,具有高效能、低噪声和低功耗的特点，非常适合用于需要高性能的电机驱动应用，特别是MP6530能驱动由6个高达60V N-通道功率MOSFET组成的三个半桥。它使用自举电容为高侧MOSFET驱动供电，内部涓流电流充电电路可以维持充足的栅极驱动电压，支持100%占空比工作。此外，MP6530还具有一些内部安全特性，如可编程过流保护、可调节死区时间控制、欠压锁定保护（ULVO）和过温保护。
MP6538是一款设计用于三相无刷直流电机驱动应用的栅极驱动IC。它能驱动由6个100V N-通道功率MOSFET组成的三个半桥。这款IC使用自举电容为高侧MOSFET驱动供电，如果需要长时间输出高电平，则由内部充电泵维持高侧栅极驱动电压。
MP6538具有全方位的保护特性，包括可编程过流保护（OCP）、可调节死区时间控制、欠压锁定保护（ULVO）和过温关断保护。它含有三个霍尔传感器输入，通信逻辑由3个间隔120°的霍尔元素输入决定。此外，PWM、DIR和nBRAKE输入用于控制电机速度、位置和转矩。
MP6538采用带散热焊盘的QFN-28 4mm×5mm封装，工作电压高达100V。这款栅极驱动IC在电机控制应用中广泛使用，如电动自行车、电动工具、机器人、无人机等。
MOSFET ：我使用过如IRF3205、IXFH8N60P、HY1908、SM454AT9、JMTK3005等MOSFET。这些MOSFET具有低导通电阻、高开关速度和良好的散热性能。选择这些MOSFET的原因主要是基于它们的性能和价格考虑。在选择过程中，我会考虑MOSFET的耐压、耐流和开关速度、内阻等参数，以确保它们能够满足应用需求。同时，我还会注意MOSFET的散热性能和封装形式等因素。这些MOSFET的优势在于它们能够提供高效的电机驱动能力，同时具有良好的稳定性和可靠性。

当初实现的核心代码：

// 打开PWM通道A、B、C  
PWM_AL_ON();  
PWM_BL_ON();  
PWM_CL_ON();  
  
// 等待一段时间（假设delay_ms是一个延时函数，单位为毫秒）  
delay_ms(50); // 延时50毫秒  
  
// 关闭PWM通道A、B、C  
PWM_AL_OFF();  
PWM_BL_OFF();  
PWM_CL_OFF();

DIin=0x500;	//偏置电流设定 
	if(SampleData[2]>1117&&SempleData[2]<=1500)DIin=SempleData[2];	
	SempleVI();	//采集电压电流
			
	Timeountkey=500; //更新显示



Menu = 1-Menu;
            key_1 = 1;
            if(Menu==0)
            {
                sprintf(temp_buff1,"Set :%4d RPM  ",SetSpeed);  //输出显示设定速度
                sprintf(temp_buff,"Real:%4d RPM  ",RealSee);	//显示电机实时转速
            }
            else
            {
                sprintf(temp_buff1,"Vbus :%d.%d V  ",CanshuV/10,CanshuV%10);  //输出显示占空比
                sprintf(temp_buff,"I(MA):%d      ",CanshuI);	//显示电机转速
            }


TimeCountkey=0;
            if(Menu==0)
            {
                sprintf(temp_buff1,"Set :%4d RPM  ",SetSpeed);  //输出显示占空比
                sprintf(temp_buff,"Real:%4d RPM  ",RealS);	//显示电机转速
            }
            else
            {
                sprintf(temp_buff1,"Vbus :%d.%d V  ",CanshuV/10,CanshuV%10);  //输出显示占空比
                sprintf(temp_buff,"I(MA):%d      ",CanshuI);	//显示电机转速
            }


/* HSI使能并校准，48MHz/6=8MHz */  
RCC_HSI_Enable(RCC_HSIOSC_DIV6);  
  
/* 设置HCLK和PCLK的分频系数 */  
RCC_HCLKPRS_Config(RCC_HCLK_DIV1);  
RCC_PCLKPRS_Config(RCC_PCLK_DIV1);  
  
/* 使能PLL，通过PLL实现8倍频到8MHz*8=64MHz */  
RCC_PLL_Enable(RCC_PLLSOURCE_HSI, 8000000, 8);  
  
/* RCC_PLL_OUT(); // PC13输出PLL时钟，这一行被注释掉了 */  
  
/* 设置FLASH读等待周期 */  
__RCC_FLASH_CLK_ENABLE(); // 使能FLASH时钟  
FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_3); // 设置FLASH读等待周期为3 cycle  
  
/* 时钟切换到PLL */  
RCC_SysClk_Switch(RCC_SYSCLKSRC_PLL);  
RCC_SystemCoreClockUpdate(64000000); // 更新系统核心时钟频率为64MHz  
  
#else // 这是一个条件编译的else分支  
    RCC_HSI_Enable(RCC_HSIOSC_DIV6); // HSI被重复使能，这里可能是个错误  
    __RCC_FLASH_CLK_ENABLE(); // 使能FLASH时钟  
    FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_3); // 设置FLASH读等待周期为3 cycle  
    RCC_HSI_Enable(RCC_HSIOSC_DIV1); // HSI再次被使能，且配置为不分频，这会导致逻辑错误

借一个图，讲一下无刷电机的工作原理：

上下线圈的绕向相反，则通电时极性相同。

三相无刷电机的三个线圈确实是彼此独立的，但在实际应用中，为了提高线圈的利用率和电机的效率，通常不会单独依次导通每个线圈，而是采用星形（Y型）或三角形（Δ型）连接方式来同时导通两相或三相线圈。

在星形连接方式中，三相电动机的三个绕组的一端连接在一起，形成一个公共点，即中性点。这种连接方式下，电动机的每个绕组所承受的电压是相电压，即电源相线与中性点之间的电压。星形连接的特点是电压较低、电流较大，并且有一个中性点可以引出，可以方便地实现四线制供电，满足某些特定需求。

当采用星形连接一次导通两相或三相时，可以通过控制器依次给不同的线圈对通电，产生旋转磁场，从而驱动电机转动。在第一阶段，可以给AB两相通电，使A极线圈和B极线圈产生磁感线，并产生合力；在第二阶段，可以给AC两相通电，改变磁感线的方向和合力；以此类推，不断改变通电的线圈对，就可以实现电机的连续旋转。

三相变流器的基本电压矢量定义与空间分布：

取样电阻增粗：

PCB电源线与电流采集线路加粗：

当时打板出来的一个PCB照片，无刷电机的空PCB：

以上就是我个人对电机当初的理解，与现在的一些经验。