無刷有感電機(jī)測速、速度閉環(huán)控制

0.前言

隨著ROS移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，小伙伴們已經(jīng)不在滿足于低功率的差速小車了，希望可以搭建功率更高的ROS移動機(jī)器人平臺。常見的高功率的移動機(jī)器人多是采用無刷輪轂電機(jī)，于是就出現(xiàn)了本篇文章，給大家提供一個輪轂電機(jī)的測速以及控制的思路。

1.直流無刷有感電機(jī)介紹

無刷直流 （Brushless Direct Current， BLDC）電機(jī)是一種正快速普及的電機(jī)類型，在移動機(jī)器人領(lǐng)域也有諸多應(yīng)用，這里我們將對無刷直流電機(jī)的常見問題進(jìn)行描述。

（1）工作原理

首先，我們來看一下無刷電機(jī)的工作原理，下圖為三電極、二磁極、內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)演示。

無刷電機(jī)不是傳統(tǒng)的直流電機(jī)，模型雖然是直流電池供電，但通過無刷電調(diào)之后就轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳嘟蛔?a href="http://www.3532n.com/tags/電流/" target="_blank">電流傳輸?shù)搅巳齻€極性上。通過上圖可以看出，無刷電機(jī)是沒有碳刷的，和有刷相反，無刷電機(jī)的磁鐵成了轉(zhuǎn)子。

（2）內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子

上面無刷電機(jī)工作原理圖所示的是內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，顧名思義，磁鐵在里邊。而外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)則相反，它的磁鐵“包”在外面。而A、B、C電極在里邊。這樣的設(shè)計可以讓電機(jī)的扭力更大，但轉(zhuǎn)速卻上不來。因為這個原因，一般四旋翼無人機(jī)上常見外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)（需要扭矩大），而模型車和模型船一般都使用內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)（需要轉(zhuǎn)速高）。

（3）有感無刷和無感無刷

要說明這個問題首先要弄懂感是啥，有感無刷中的感是指“霍爾傳感器”，那么什么是“霍爾”呢？霍爾是指的霍爾效應(yīng)，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。

那么我們?yōu)槭裁匆袘?yīng)這玩意？要說清這個問題就必須從無感無刷的一個缺點(diǎn)說起。無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是靠交流電頻率決定的，那么電調(diào)要想方設(shè)法弄明白目前電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)。其實(shí)這對已經(jīng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)來說很容易，但對于一個剛剛起步或者運(yùn)行速度很慢的電機(jī)來說就顯得比較麻煩了(很難較準(zhǔn)確的測出電機(jī)轉(zhuǎn)速的狀態(tài))，所以無感無刷電機(jī)會在低速時線性不好甚至可能會顫抖，而起步的扭力也難以強(qiáng)過同等級有刷電機(jī)。

但是人們發(fā)現(xiàn)無論什么運(yùn)行狀態(tài)的無刷電機(jī)，它的霍爾效應(yīng)都是明顯的，所以通過霍爾效應(yīng)電調(diào)可以很容易的知道無論高速還是低速電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，從而解決了無感無刷電機(jī)的毛病！

（4）直流有感無刷電機(jī)驅(qū)動電路

驅(qū)動電路原理

一般有感直流無刷電機(jī)的驅(qū)動電路是由6個MOS管組成的橋式電路。

編程控制無刷直流電機(jī)運(yùn)行，其最底層的工作就是控制著6個MOS管的兩個狀態(tài)：導(dǎo)通和關(guān)斷。

根據(jù)相關(guān)的控制理論，我們可以清晰的得知：

（1）每次只能打開兩個MOS管。保持任意兩個電極上有電。

（2）驅(qū)動電路上面一排和下面一排的MOS管不會出現(xiàn)兩個同時打開。只打開一行就只送了一個電極的電。

（3）同一列的MOS管也不會同時打開，同時打開會出現(xiàn)電源短路。

所以6個MOS管的開關(guān)狀態(tài)只有六種，常見的無刷電機(jī)驅(qū)動器的電路原型就是這樣，也就是六步換向法的由來。

無刷電機(jī)調(diào)速原理

如果我們對下面一排MOS管按驅(qū)動原理進(jìn)行一次性的完全打開與關(guān)閉，上面一排MOS管按驅(qū)動原理通過單片機(jī)的PWM進(jìn)行非完全一次性打開與關(guān)斷的，也就是MOS不完全打開，MOS的G極達(dá)不到最大電壓值，這樣我們就實(shí)現(xiàn)調(diào)速了。

表示無刷電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)

通過三個霍爾傳感器的六種狀態(tài)表示無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)過程。一般無刷有感電機(jī)都安裝3個霍爾傳感器，關(guān)于霍爾傳感器在無刷電機(jī)中有以下特點(diǎn)：

（1）霍爾信號不會出現(xiàn)全零（000）和全一（111）兩種狀態(tài)。所以，三個霍爾僅存6中狀態(tài)。

（2）霍爾的6種狀態(tài)是順序變化的，往復(fù)循環(huán)。通過先后順序即可判斷電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

所以我們是不是可以理解為，任意三個霍爾的組合狀態(tài)之后的狀態(tài)只有兩種，一個表示正轉(zhuǎn)，一個表示反轉(zhuǎn)。

（5）霍爾安裝角度

常用的霍耳傳感器安裝方式有120 ° 安裝和60° 安裝2 種，2 種方法都可以輸出6 個不同的霍耳信號，分別對應(yīng)6 個不同的區(qū)域，當(dāng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一區(qū)域時，對應(yīng)的繞組通電，電機(jī)就可以正常工作，若霍耳信號與繞組關(guān)系錯誤，就無法正常工作，甚至?xí)﹄姍C(jī)或功率器件造成損壞。因此，確定霍耳信號與定子繞組關(guān)系對于無刷直流電機(jī)而言非常重要。

霍耳傳感器常用來檢測無刷直流電機(jī)換相點(diǎn)。三相無刷直流電機(jī)需要3 個霍耳傳感器來檢測6 個不同的位置，霍耳傳感器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個霍耳傳感器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個霍耳傳感器互差60° （電角度）。2 種安裝方式最大的區(qū)別在于采用60 ° 安裝時可以輸出“000”和“111”信號，而120° 安裝則不會輸出這2 個信號，通過這一點(diǎn)可以判斷霍耳傳感器的安裝方式。

霍爾的安裝角度，對驅(qū)動器的選擇有很大的影響，通常賣家都會問無刷電機(jī)的霍爾安裝角度。

2.STM32無刷電機(jī)輪速測量

（1）測速方法:

單片機(jī)轉(zhuǎn)速測量的算法很多，主要有頻率測速法（M法）、周期測速法（T法）等。

M 測速法：通過在相同的時間T間隔內(nèi)計算傳感器輸出的脈沖個數(shù)來算出轉(zhuǎn)速；

設(shè)R為每轉(zhuǎn)的脈沖信號數(shù)，T為間隔時間，M為T時間內(nèi)測得的脈沖數(shù)。可見這種測速法的分辨率取決于電機(jī)轉(zhuǎn)一周的輸出R和測速周期T，極對數(shù)越多或測量周期越長，則分辨率越小，但一般電機(jī)的R不大，且測量周期不宜過大，因為測量周期過大為影響測速的反應(yīng)速度，降低系統(tǒng)的實(shí)時性。所以這種方法是不可取的。

T法測速：通過測量傳感器發(fā)出的相鄰兩個脈沖之間的T來算出轉(zhuǎn)速；因為相鄰兩個脈沖對應(yīng)輪子上的物理距離N是確定的。

用一個計數(shù)器對三個霍爾的脈沖信號進(jìn)行采集；從一個脈沖觸發(fā)開始計時，到下一個脈沖觸發(fā)新的計時，測得每兩個脈沖間的時間T；

所以，T法測速的電機(jī)速度speed=N/T;

注意，關(guān)于N的獲得有兩種方法，一、根據(jù)電機(jī)參數(shù)即可獲得，用輪子周長除以輪子轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，二、可以測量10圈輪子累積脈沖，求平均值。

（2）測速的技術(shù)要求：

（1）盡量精細(xì)化速度分辨率。所以采用T法測速

（2）計算出輪子的實(shí)際線速度m/s，而不是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以要明確兩個脈沖對應(yīng)輪子轉(zhuǎn)動的物理距離。

（3）用速度的正負(fù)值明確分辨輪子正反轉(zhuǎn)。所以要根據(jù)判斷前后霍爾組合狀態(tài)來判斷電機(jī)所謂的正反。

（3）實(shí)現(xiàn)方式：

首先，通過單片機(jī)的外部觸發(fā)中斷，獲得同一觸發(fā)時刻的三個霍爾信號狀態(tài)并通過二進(jìn)制組合成狀態(tài)數(shù)字；根據(jù)下一次的狀態(tài)數(shù)字，進(jìn)行速度正反的區(qū)分。

其次，通過單片機(jī)的定時計數(shù)器，測算每兩個脈沖之間的時間。即一個上升沿到一個下降沿的時間，或者一個下降沿到上升沿的時間，或者一個下降沿到一個下降沿的時間等等。

最后，進(jìn)行速度計算，符號改變即可。

注意，這里說的每兩個脈沖不是一個霍爾的每兩個脈沖而是三個霍爾中的每兩個脈沖，這個脈沖既包括上升沿又包括下降沿。

（4）使用設(shè)備以及軟件：

STM32F103單片機(jī) + 120度霍爾的無刷有感電機(jī) + keil5。

（5）具體代碼實(shí)現(xiàn)：

下面以一個電機(jī)為例，具體的源碼工程文件。

外部中斷配置代碼：

?

定時器配置代碼：

左輪三相霍爾處理函數(shù)：

?

左輪三相霍爾中斷服務(wù)函數(shù)：

定時器中斷服務(wù)函數(shù)：

主函數(shù)：

3.STM32無刷電機(jī)速度PID閉環(huán)控制

關(guān)于無刷電機(jī)的速度閉環(huán)控制和有刷直流除了速度測量之外沒有區(qū)別。