三相直流无刷电机(BLDC)控制算法实现：BLDC有感启动算法思路分析

本文主要是介绍三相直流无刷电机(BLDC)控制算法实现：BLDC有感启动算法思路分析，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一枚从事路径规划算法、运动控制算法、BLDC/FOC电机控制算法、工控、物联网工程师，爱吃土豆。如有需要技术交流或者需要方案帮助、需求：以下为联系方式—V

方案1：通过霍尔传感器IO中断触发换相

1.1 整体执行思路

1. 霍尔传感器U、V、W三相通过IO+EXIT中断的方式进行霍尔传感器数据的读取。将IO口配置为上升沿+下降沿中断触发的方式。当霍尔传感器信号发生发生信号的变化就会触发中断
2. 在中断中读取IO口高低电平的状态，并且在中断中进行6步换相算法的实现。
   

1.2 电机启动流程分析

1. 在程序初始化流程执行完成之后，因为电机是处于静止状态的，无法触发IO口的上升沿或下降沿中断
2. 所以要想启动电机：必须在启动阶段人为的强拖一步电机，使得电机从静止状态下旋转换相一步。这样使得霍尔传感器检测到转子位置变化后，U、V、W三相霍尔传感器的某一相IO电平状态会发生变化，从而触发IO上升沿或下降沿中断。然后执行IO中断函数，执行闭环的6步换相逻辑。

1.3 启动时不足之处(缺陷)

1. 电机在启动时，是无法精确的确定转子轴所带动的负载到底有多大的负载量。也就是专业术语里描述的电机所带动的负载是一个不定负载。
2. 在不定负载的使用场景下，我们在电机启动时必须要对转子进行一步强拖才能进行中断闭环换相。
3. 那么强拖这一步该给多大的启动占空比合适？
4. 如果启动占空比给的较小，那么在启动时可能电机转子强拖不起来，无法使得霍尔传感器检测到转子位置的变化也就无法进入闭环换相。无法进入闭环换相那么电机就无法进行旋转。也就是启动失败，只能频繁启动，但频繁启动也无法启动。
5. 如果启动占空比给的较大，那么在启动的一瞬间电流会有一个突变，很有可能会触发过流。对整个功率环路的硬件电路可能会造成一定冲击负荷。比如在电机频繁的启停时会出现每次启动时电流瞬时增加，H桥逆变电路的MOS元件会出现瞬间通过大电流，因为MOS本身有Rds内阻，所以会出现MOS发热较为严重的现象。电机本体也会造成瞬间启动的震动冲击，电机线圈也会出现短暂的发热现象。
6. 如果启动占空比给的较大，带来的一个现象是启动时转速会有突变的问题。就是转速忽然从0rpm提升到一个很高的转速，这样使得电机转动惯量很大，负载端也会出现突变问题。

1.4 此方案的应用场景

1. 恒定负载场景：负载几乎恒定，通过调整启动占空比测试，找到一个理想的启动占空比固定不变
2. 轻负载场景：在负载较轻的场景下，可以使用一个固定的启动占空比，让电机启动强拖一步切换到闭环换相
   1.5 此方案的优缺点分析
3. 在MCU内部资源较为匮乏，低成本的使用场景下可以使用此种方案
4. 方案优点：占用CPU资源很少，只有霍尔传感器触发IO中断后，在中断中执行电机6步换相。执行速度很快
5. 方案缺点：在电机启动阶段，如果负载为动态变化的，那么启动占空比的值大小不好估算。有启动失败的分析

方案2：通过一个us级定时器进行读取霍尔传感器IO状态进行换相

2.1 整体执行思路

1. 通过软件配置一路us级的定时器。假设这个定时器50us的时间周期进行一次中断执行。在中断中读取霍尔传感器U、V、W三相的IO值
2. 当启动条件触发后根据霍尔传感器是否状态变化进行BLDC的6步换相
   

2.2 电机启动流程分析

1. 电机在启动时，是无法精确的确定转子轴所带动的负载到底有多大的负载量。也就是专业术语里描述的电机所带动的负载是一个不定负载。
2. 在不定负载的使用场景下（当然恒定负载或者轻负载场景下也适用），电机启动时根据启动占空比进行设置，这个启动占空比根据用户外部设置的目标占空比逐渐调整增加。
3. 整体执行流程
   
4. 调整PWM占空比思路：
   1. 6路PWM占空比的调整实际对应的电机U、V、W三相的相电流、相电压，也对应的电机的转速和转矩
   2. 在实际的项目中调整电机的输出PWM占空比应该是一个逐渐增加或减小的方法进行。尽量避免输出PWM占空比突变，假设100%输出占空比是1000。那么我们调整占空比的时候不能从值为0PWM占空比值直接调整到值为500或600的占空比值。如果按照这种方式调整，就会出现转速突变、相电流突然增加导致过流、MOS/电机线圈发热、机械震动非常明显的负面影响。
   3. 那么，我们该如何调整PWM占空比值？核心点是实时占空比值根据目标占空比值动态调整。假设目标占空比值是200，那么起始占空比值可以从current_duty = 1为起始占空比值步进为step_duty = 1间隔一个T时间进行累加。这个T时间根据实际项目中动态响应速度做调整。current_duty起始值和占空比步进值step_duty根据实际项目中电机动态响应速度实际调整。
      

2.3 启动特征分析

1. 启动时实时占空比值是从很小的启动值步进调整到目标占空比值的。所以有一定的概率在实时占空比的某一个特征值之前PWM占空比值较小，电机转子没有足够的力矩使得转子旋转，在某一个位置有抖动现象，可能还会带来一些电磁噪声。
2. 上述问题的解决方案是快速调整实时占空比到目标占空比，这样在短时间内电机从静止状态逐渐到低速旋转状态然后到目标占空比。
   

2.4 此方案的应用场景

1. 在不定负载也就是轻负载重负载或者恒定、变化负载条件下都可以很好的处理电机启动
2. 使用场景较为广泛，算法的兼容性可以适配不同类型的带霍尔传感器的BLDC电机

2.5 此方案的优缺点分析

1. 在MCU内部资源较为丰富，比如定时器资源较多的场景下使用
2. 方案优点：算法适应的电机类型较多，对负载的变化要求不高。做出产品方案的兼容性较强
3. 方案缺点：定时器中断时间是us级的，比较耗费MCU资源。但一般的32位主频32MHZ及以上的处理器不影响执行效率。因为是us级的定时器，响应速度没有IO中断的方式快，有可能造成换相点的滞后，需要计算电机的最高转速下换相时间，太高转速的电机不使用当前这种方案
4. 这个us级的定时器可以使用输出6路PWM的定时器，将updata中断开启，这样就可以节省一路定时器，而且这个定时器的中断执行周期和PWM的周期同步，满足使用场景

3. 方案3：通过定时器的+霍尔

定时器+霍尔的方案暂时不做分析。整体处理方式和方案1类似。后续会分析定时器+霍尔思路

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