01概述

空心杯电机（Hollow-Cup Motor）是一种特殊类型的微型无刷直流电机，具有空心的旋转部分。它通常由外部固定的外壳和内部旋转的空心杯组成。空心杯电机具有较高的功率密度和扭矩输出，适用于一些特定的应用场景，如精密仪器、机器人、医疗设备等。

空心杯电机的工作原理是基于无刷直流电机的原理。它采用无刷电机的结构，包括定子（固定部分）和转子（旋转部分）。定子包含一组永磁体，而转子则包含一组线圈。通过电流在线圈中的流动和永磁体之间的相互作用，产生电磁力，从而使转子旋转。

图1-1 空心杯电机结构

1.1空心杯电机的特点和优势

空心结构：空心杯设计使得电机的旋转部分中心为空，可以通过空心轴传递其他信号、光线或气体，并且由于绕组无铁芯，转矩分布均匀。

高功率密度：由于其紧凑的设计和高效的电机结构，空心杯电机具有较高的功率密度，可以在有限的空间内提供更大的扭矩输出。

平滑运行：空心杯电机通常具有平滑的运行特性，可以提供稳定的转速和低噪音。

高精度和可控性：空心杯电机的设计使得其具有较高的精度和可控性，适用于需要精确位置控制的应用。

快速响应：由于其转动惯量小，空心杯电机能够快速响应控制信号，机械时间常数可以达到ms级，适用于需要高速动态响应的应用场景。

需要注意的是，空心杯电机由于结构紧凑的设计导致散热困难，并且其要实现高速和高精度的响应，因此空心杯电机的功率和扭矩都有一定的限制，需要根据具体工程问题选择合适的电机类型和配套的控制系统。

1.2应用场景

机器人技术：空心杯电机广泛应用于机器人的关节驱动器中，能够提供高精度的运动控制和力矩输出。机器人的关节通常需要快速而准确地执行各种动作，而空心杯电机可以满足这些要求。

自动化设备：在自动化设备中，如自动装配线、自动化仪器等，空心杯电机可用于驱动各种传送带、传送装置和旋转平台，以实现工件的快速、精确定位和搬运。

医疗器械：空心杯电机在医疗器械中的应用广泛，例如手术机器人、医疗影像装置、药物输送系统等。这些应用需要高度精确的运动控制和定位，而空心杯电机能够提供稳定的力矩输出和高精度的位置控制。

光学设备：在需要进行旋转、调焦、变焦等精密光学操作的设备中，如摄像机、望远镜、激光器等，空心杯电机可用于驱动相应的部件，实现精确的光路控制和图像稳定。

回转平台：空心杯电机常被用于回转平台或转台，例如航天器的天线转动、摄影设备的平稳旋转等。通过空心杯电机的驱动，可以实现平稳、高速的旋转，并且减小了传动装置的尺寸和重量。

02控制原理

2.1 霍尔传感器

霍尔传感器是一种基于霍尔效应原理的传感器，用于检测磁场的存在和变化。它通常由霍尔元件、信号调理电路和输出接口组成。霍尔元件是一种半导体材料，当其受到外部磁场的作用时，会产生一个电压信号。这个电压信号经过信号调理电路处理后，就可以输出给控制系统进行相应的处理。霍尔传感器的工作原理基于霍尔效应，即当电流通过某些材料时，受到垂直于电流方向的磁场的影响，会在材料两侧产生一种电势差。这个电势差被称为霍尔电压，其大小与外部磁场的强度成正比。霍尔传感器具有以下特点和优势：

非接触式检测：霍尔传感器通过检测磁场，而无需与被检测物直接接触，从而避免了物理接触可能带来的摩擦和磨损。

快速响应：由于霍尔传感器是基于半导体材料的电子器件，其响应速度非常快，可以实时检测和响应磁场变化。

高精度：霍尔传感器能够提供精确的磁场测量和检测，可用于测量磁场的强度、方向和变化。

宽工作温度范围：霍尔传感器具有较宽的工作温度范围，可以在高温或低温环境下正常工作。

可靠性和耐用性：霍尔传感器不受机械磨损的影响，具有较长的使用寿命和可靠性。

低功耗：霍尔传感器通常具有低功耗特性，适用于电池供电或对能源消耗敏感的应用。

在本次实验中，我们使用霍尔传感器对转子位置进行检测。通过将三个霍尔传感器相隔120°安装在电机定子的不同位置，即可根据霍尔传感器的电平信号确定电机转子的位置。下图是本次实验用到的霍尔真值表，理解真值表后对程序的编写有着重要作用：

图2-1 120°霍尔真值表

上图左为正转，右为反转。从上图可以看出，A、B、C三相霍尔传感器分别在空间上间隔120°放置，当转子的磁极运动到对应的霍尔传感器位置时，对应的相产生高电平，高电平的持续角度为180°（电角度，当电机极对数为1时也等于机械角度）。所以我们根据上面的真值表可以写出电机运行时的六种状态，以C相为高位：101、001、011、010、110、100；用十六进制的表示方式为：5、1、3、2、6、4，也就是说电机在正转时，霍尔传感器的信号只会按照513264的大小依次出现，在程序里读取对应霍尔引脚的电平状态即可判断此时电机转子的位置，这对于后续的方波控制尤为重要。

2.2 方波控制

方波控制是通过改变电机的输入电压信号来控制电机的转速和方向，这里的方波是指在电机运行过程中定子电流的波形近似方波。

图2-2 无刷直流电机的电路等效图

如果我们采用二二导通的方式，即同一时刻电机的绕组只有两相导通，本次实验的空心杯电机的内部为三角形连接，极对数为1。在一个电周期（360°）内，由上面提到的霍尔六种不同的状态来切换控制MOSFET的开通关断，使得定子电流也有六种状态，即定子绕组的合成磁动势有六种状态——所以，方波控制又被称为六步换相。以上文的霍尔状态举例，当霍尔传感器传出信号为5时，控制VT1和VT6开通，其余关断，所以A相电流为正，B相电流为负；电机旋转至霍尔信号为1时，控制VT1和VT2开通，其余关断；以此类推，完整地经历过六个状态后，电机也就旋转完了一圈，再次进行上述步骤就可以使得电机连续运行。那么电机为什么会这样运行呢，我们在这里用较为通俗的语言解释，如果读者有兴趣可以自行查阅相关资料。电机的定子通电后也具有磁性，根据“异性相吸”的原理，电机转子会向着通电的定子相运动直至二者“吸住”，如果在转子运动到对应“相吸”定子前的一瞬间，断掉该定子的供电而对顺着转子运动方向相隔120°的下一相定子供电，则转子又会与下一相定子“相吸”，如此往复即可使转子不断转动，上文的电路等效图对应相关定子相的供电。

图2-3 直流无刷电机定转子运动示意图

一个完整系统的方波控制步骤如下：

01设置控制系统

确定控制系统的输入和输出接口，选择适当的控制器（如微控制器）和驱动电路。

02确定转子位置

根据霍尔传感器信号的真值表，确定电机转子此时的位置。

03确定换相顺序

根据转子的位置情况，确定电机定子的换相顺序，即图2-2中VT1-6的通断顺序。

04控制电机转速

通过对MOS管VT输入PWM信号，该变占空比来控制平均电压的大小即可控制电机的转速。

05控制电机方向

通过改变换相顺序的运行方向，可以控制电机的运动方向。

06反馈控制（可选）

如果需要更精确的控制，可以使用更加灵敏的传感器，如编码器，来进一步监测电机的位置，在程序里使用对应算法（如PID）精确控制电机的位置和速度。

注意事项：

控制器的选择应考虑到方波控制的要求，如频率范围、引脚采样速度和分辨率等。

驱动电路的设计应与电机的额定电压和电流匹配，并具备过流、过压等保护功能。

在实际应用中，应注意电机的负载特性、惯性等因素对控制的影响，可能需要进行参数调整和系统优化。

04CW32性能特点

本次实验采用的MCU为CW32F030C8T6，其性能特点如下：

架构和处理能力：CW32F030C8T6采用了ARM Cortex-M0+处理器核心，具有高性能和低功耗的特点。Cortex-M0+是ARM架构中的一种32位处理器核心，适用于对功耗要求较高的应用场景。

主频和存储器：CW32F030C8T6的主频可以高达48MHz，提供了较高的处理速度。它具有8KB的SRAM（静态随机存储器）和32KB的闪存（用于存储程序代码和数据），可用于存储应用程序和数据。

低功耗特性：CW32F030C8T6在低功耗方面表现出色，具有多种省电模式和功耗管理功能，可实现对系统功耗的有效控制。这对于需要长时间运行的电池供电设备或对功耗敏感的应用非常重要。

外设和接口：CW32F030C8T6提供了丰富的外设和接口，包括多个通用输入输出引脚（GPIO）、SPI（串行外设接口）、I2C（串行通信接口）、UART（通用异步收发器）等。这些接口可用于与外部传感器、存储器、通信模块等设备进行通信和连接。

定时器和中断控制：CW32F030C8T6配备了多个定时器和中断控制功能，可用于实现精确的定时和事件触发。定时器可以用于生成精确的时间延迟、PWM（脉冲宽度调制）输出等应用，而中断控制则可以实现对外部事件的快速响应。

安全性和保护机制：CW32F030C8T6提供了多种安全性和保护机制，包括存储器保护单元、访问控制等。这些机制可以帮助保护系统免受潜在的安全威胁和未授权访问。

本次实验我们使用了CW32的ATIM、GTIM、BTIM、ADC和DMA外设，下面分别简要介绍这五种外设。

3.1 高级定时器（ATIM）

高级定时器 (ATIM) 由一个 16 位的自动重载计数器和 7 个比较单元组成，并由一个可编程的预分频器驱动。ATIM 支持 6 个独立的捕获 / 比较通道，可实现 6 路独立 PWM 输出或 3 对互补 PWM 输出或对 6 路输入进行捕获。可 用于基本的定时 / 计数、测量输入信号的脉冲宽度和周期、产生输出波形（PWM、单脉冲、插入死区时间的互补 PWM 等）。在本次实验中，我们使用 ATIM 来产生PWM波驱动上桥。

图3-1 ATIM 功能框图

3.2 通用定时器（GTIM）

CW32F030 内部集成 4 个通用定时器 (GTIM)，每个 GTIM 完全独立且功能完全相同，各包含一个 16bit 自动重装载计数器并由一个可编程预分频器驱动。GTIM 支持定时器模式、计数器模式、触发启动模式和门控模式 4 种基本工作模式，每组带 4 路独立的捕获 / 比较通道，可以测量输入信号的脉冲宽度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和 PWM）。本次实验使用 GTIM 的输入捕获功能来触发获取霍尔传感器的数据。

图3-2 GTIM功能框图

3.3 基本定时器（BTIM）

CW32F030 内部集成 3 个基本定时器 (BTIM)，每个 BTIM 完全独立且功能完全相同，各包含一个 16bit 自动重装载计数器并由一个可编程预分频器驱动。BTIM 支持定时器模式、计数器模式、触发启动模式和门控模式 4 种工作模式，支持溢出事件触发中断请求和 DMA 请求。得益于对触发信号的精细处理设计，使得 BTIM 可以由硬件自动执行触发信号的滤波操作，还能令触发事件产生中断和 DMA 请求。本次实验使用BTIM的定时器中断功能，10ms进入一次定时器中断，在中断中修改相关功能的标志位，在主函数的 while 循环里根据标志位判断相关功能本次是否执行。

图3-3 BTIM功能框图

3.4 模数转换器（ADC）

CW32F030 内部集成一个 12 位精度、最高 1M SPS 转换速度的逐次逼近型模数转换器 (SAR ADC)，最多可将 16 路模拟信号转换为数字信号。现实世界中的绝大多数信号都是模拟量，如光、电、声、图像信号等，都要由 ADC 转换成数字信号，才能由 MCU 进行数字化处理。本次实验使用 ADC 采集电位器的电压值，根据电位器的电压大小控制目标值的设定。

图3-4 ADC 功能框图

3.5 直接内存访问（DMA）

CW32F030 支持直接内存访问（DMA），无需 CPU 干预，即可实现外设和存储器之间、外设和外设之间、存储器和存储器之间的高速数据传输。DMA 控制器内部的优先级仲裁器，可实现 DMA 和 CPU 对外设总线控制权的仲裁，以及多 DMA 通道之间的调度执行。本次实验使用 DMA 将 ADC 采集的数据写入内存，DMA 传输由 ADC 转换完成信号触发。

图3-5 DMA 功能框图

04

实验设备

4.1 CW32-BLDC电机驱动板

本次实验我们使用的无刷电机驱动板为CW32_BLDC_EVA V5开发板，其配置如下：

图4-1 CW32_BLCD_EVA 评估板资源配置图

4.2 空心杯电机与连接

本次实验使用的空心杯电机（参考图）如下：

图4-2 空心杯电机实物图

连接示意图如下：

图4-3 电机与驱动板连接示意图

下面展示电机驱动板的原理图：

图4-4 电机驱动板原理图1

图4-5 电机驱动板原理图2

图4-6 电机驱动板原理图3

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