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方案概述

本方案采用CW32F030C8T6作为主控芯片，采用无感方波控制算法控制无刷直流空心杯电机。CW32F030C8T6是一款高性能、低功耗的32位微控制器，具有丰富的片上外设资源，可以适合用于电机控制。无感方波控制算法是一种简单有效的电机控制算法，不需要使用霍尔传感器，可以降低硬件成本。本次采用的电机驱动板仍然为CW32_BLDC_EVA V5开发板，具体开发板的信息可以翻看上一节《基于CW32的无刷空心杯电机有感控制驱动方案》，采用的空心杯电机与上一节有所不同，这次使用的空心杯电机的额定电压为 24 V。由于本次采用无感方案，所以只需要将 U、V、W三相电源接上即可，并且三相的顺序并无强制要求，下面我们重心将放在对于无感方波控制的原理部分。02

无感方波控制原理

无感方波控制（Sensorless Square Wave Control）是一种用于无刷直流电机（BLDC）驱动的控制方法。与传统的有感控制方法相比，无感方波控制不需要使用位置或速度传感器来反馈电机状态，而是通过检测电机自身的悬空相反电动势变化（Back Electromotive Force，简称BEMF）来实现控制。在无感方波控制中，通过检测电机的悬空相电压的过零点，可以推断出电机转子的位置，根据转子位置进行步状态的切换即可控制电机转动。

2.1 梯形波

无感方波的驱动电路采用三相全桥逆变电路，在理想的情况下，三相全桥逆变电路的电压波形如下图2-1所示，每相导通角度为120°，相与相之间相隔120°。无刷直流电机驱动所需的电流波形也是上图里的方波，因为电机存在漏感 L ，定子电流会有一定的上升和下降时间，所以使得理想的方波变成了梯形波。

从图2-2中可以看出，无刷直流电机实际运行时的三相电压波形并不是图2-1里的方波，而是梯形波。由于采用了脉宽调制计数（PWM），所以波形看上去由一道道脉冲组成。

2.2 确定换相信号

无感方波驱动与有感最大的区别就在于获取换相信号的方式不同，有感方波通过检测三相霍尔信号的电平，再根据三相电平确定电机此时应该运行在的步状态；无感方波是检测梯形波“斜线”上的反电动势电压来确定换相时刻。霍尔信号对应的相是确定的，所以电机的供电相也要根据霍尔相的顺序来连接，而无感方波驱动只需要检测“斜线”上的“过零点”确定换相时刻后自动换相到下一步状态，而每一个步状态对应事先已经安排好的开关管通断，所以电机的供电相可以随意连接。PA0、PA1、PA5分别对应CW32F030 ADC的0、1、5通道，我们使用ADC采集三相的电压，但在“过零点”比较中我们实际使用的是未导通相，即悬空相的电压。

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软件设计

3.1MCU资源分配

本次使用到的CW32内部资源如下：

ATIM ：CH1、CH2、CH3 三个通道比较产生 PWM 波用于驱动电机，CH4为芯片内部通道，无外部引脚，只有一路比较捕获寄存器 (ATIM_CH4CCR)，且只能用于比较，不能用来捕获。我们使用 CH4 的比较功能触发 DMA 传输。

DMA ：使用4路 DMA 通道：CH1、CH2、CH3、 CH4：

CH1 将 ADC 单次单通道的采样结果传入 RAM

CH2 将 ADC 的 CR1 寄存器的配置值从 RAM 传入寄存器

CH3 将 ADC 的 START 寄存器的配置值从 RAM 传入寄存器

CH1、CH2、CH3由 ADC 硬件触发，CH4 由 ATIM 硬件触发,启动 ADC

ADC ：ADC 采样的时钟设置需要与 PWM 载波频率结合，计算采样时间；采用单通道单次采样，首次采样由 ATIM 硬件触发，ADC 转换完毕后触发 DMA 传输，通过 DMA 传输自动改变采样通道。这样设置可以实现 ATIM 触发一次就采样五个数据（U、V、W 相电压、母线电压、外部电位器调速电压）

BTIM1 ：BTIM1 设置 1ms 进入一次中断，在中断里改变标志位实现主程序的控制

BTIM2 ：BTIM2 作为换相时间间隔的记录定时器，决定延迟多长时间后换相

BTIM3 ：BTIM3 设置中断，在中断里完成退磁和换相

3.2 部分重要程序介绍

操作 ATIM CH4 的 CCR 寄存器，可以选择 ADC 在一个 PWM 周期内不同位置的采样：

首先是核心函数：调制换相

接着是第二个核心：换相。

过零点比较函数如下，此函数在 ADC 完成五次采样后调用。

最后是电机的启动部分：

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调试心得

在调试电机的过程中要做好限流保护，电机换相失败会导致其停在某一相，对应的MOS 管持续导通。

退磁延迟时间和延迟换相时间的设置会影响电机的性能，过早地换相会降低电机转矩，过晚地换相会使电机电流过大，效率较低发热严重。

电压比较值的设置同样会造成上一条的影响，在低电平时采样比较的值如果设置过小，会造成上升沿处换相过早、下降沿处换相过晚的后果。

电机的启动需要缓慢进行，不可以将 PWM 的占空比增加过快，否则电机容易换相失败。

BTIM3中断服务程序里的方向检测设置要与数组 TAB_RisingFalling 里的 Rising 和 Falling 顺序对应，否则会启动失败。

由于空心杯电机的内部为三角形接线，在 PWM 低电平时仍保有较多的能量，所以在 MOS 管关断期间的反电动势较高，并且随着转速的增加此电压的大小呈上升态势。对于 “过零点” 电压数据的设置也需要适应这种变化，下图展示了空心杯电机运行在 35000 rpm 时的一相电压波形。

#空心杯电机#

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