芯源&立创EDA训练营——无刷电机驱动

前言

最近总是看机各种无刷电机的推送，好像今年的智能车也是有个别组别可以使用无刷电机，于是就勾起了笔者的好奇心，正正好立创EDA和芯源半导体开了一期有关无刷电机的训练营，于是就有了笔者如下的学习笔记。

电机驱动板工作单元规划

本次笔者打算使用的是12V/3A的电源适配器为整个电路供电，因为CW32主控需要3.3V的工作电压，而电流检测的运放电路、霍尔传感器的供电等都需要5V的工作电压，所以还需要设计5V以及3.3V的电压输出；由于电机驱动部分的电压电流都会比较大，为了防止反向击穿烧毁主控的IO口，还计划增加一个隔离电路以及一些额外的保护电路，最后还有主角就是负责产生电压变换的三相桥。

器件选型及原理图绘制

确定好驱动板所需的工作单元后就可以开始选型了，根据上面的需求寻找自己所需的器件，这里可以使用的以往验证的方案，也可以参考网上其他人的成品电路，如果没有相关的积累，也不知道该怎么搜索资料的，可以直接打开立创商城进行筛选，也可以去其他芯片采集网址进行适配,笔者此处选用的是立创商城。

电源部分

首先根据规划，需要一个12V转5V，5V转3.3V的电路，这里有两种选择，一种是选择效率高，发热小的开关电源（DCDC）方案，另一种是使用电路相对简单，但是效率不高，发热较大的线性稳压方案。这里笔者为了简化电路，选择了LDO，因为开关电源的电路布局是个很有讲究的事情，笔者自认为功力不够，后面尝试验证后再来修改。
打开立创商城，选择电源管理，再选择线性稳压器（LDO）。

然后在筛选框根据自己的需要筛选出合适的器件，笔者这里是选择的固定输出，正电压，一个输出通道，5V电压基准，输入12V，然后点击筛选就可以找到推荐型号。
这里笔者选用的是L7805，选择的时候注意下价格和是否有现货。

选中后，还需要看一下数据手册的参考电路设计，类似DCDC的还会有布局建议，这个是一定不可忽略的。

此芯片的参考电路如上图，需要增加电容来实现，在电源设计中，基本上所有的输入输出电源的地方都会增加一个大电容滤除低频噪声，同时起到蓄能的作用，防止电压被拉低，同时还有一个小电容，一般是100nf用来滤除高频噪声。
根据上面的筛选方案，还需要选择一款5V转3.3V的线性稳压器，这里笔者使用的是友顺的UZ1084G-3.3V。同样是固定电压单路输出。

确定这些型号后，还需要根据自己的需求，添加输入接口、开关、保险、防反接二极管等辅助器件。
最后就是根据芯片手册和经验值进行原理图绘制。

电流检测

在电机控制中，电流是一个非常重要的参数，电流过大会烧毁驱动电路甚至是烧毁电机。；所以需要一个电检测电路。
单片机显然是没法直接采集电流信号的；外界信号量最常用的就是ADC进行采集，各种信号量经过对应传感器变换后，转换成电压信号，供单片机进行采集，对于电流的采集，也是同理，电流和电压联系起来的最直接的器件就是电阻，只需要在电路中接入一个足够小的精密电阻，就可以将电流转换成电压信号，这个电压信号经过运放的处理后，使用ADC采集，然后根据放大倍数和电阻值就可以得出电流值。
而电流采集的方案又有多种，包含高侧电流采集、低侧电流采集，两相和三相分流等方案。

这里笔者选用的是采集两个桥臂的低侧电流以及总的低侧电流。

确定了采集方式后，有需要开始进行选型了。关于电流检测，一种方案可以使用普通的运算放大器直接搭建，另一种方案是使用现专用的电流放大器。两种方案都可以，前者电路稍复杂。，但便宜，后者稍贵，但电路简单。
还是在立创商城，在分类里面选择电源管理，然后选择电流感应放大器，

就可以看见有一系列的电流检测芯片，大部分是TI的INA系列，这里笔者选择了INA199B1DCKR。
在其芯片手册内部有电路设计的参考，这里推荐使用这种输入带开尔文连接的。

还有一种方案就是芯源官方的参考方案，使用LM358进行搭建，这个电路在无刷直流电机控制应用——基于STM8S系列单片机中有介绍。

栅极驱动及功率电路

无刷直流电机需要使用三相桥来进行驱动，具体的驱动原理可以参考此文一文看懂有刷电机与无刷电机的工作原理及区别三相桥的功率电路其实和只留有刷电机的H桥类似，只是在此基础上增加了一个桥臂。有关这方面的介绍以及电路设计可以去看看唐老师的讲解。
直流无刷电机BLDC,FOC,2022年全国大学生智能汽车竞赛
选型方面，笔者PMOS选用的KNY3404C，栅极驱动选用的是 EG(屹晶微)的2133，其芯片手册的参考电路如下：

其中红色框内的FR107以及C3组成了自举电路，有关自举电路的介绍参考此文——自举电路原理分析。然后是橙色框内的电阻和二极管，他们的作用是消除MOS导通时的振铃现象，有关这个现象可以查看这个视频——【让MOS烧的值得 振铃,杂散电感知识讲解-哔哩哔哩】
关于mos管栅极串接电阻的作用的研究
在此参考电路的基础上，笔者还在栅极增加了一个10K的下拉电阻这个电阻的作用之一是在电路上电时给栅极一个确定的电平，防止上电时的误导通，作用之二是给Cgs寄生电容提供一个放电路径，消耗掉寄生电容里面存储的电能，详细介绍可以参考此视频——【MOS管开关电路上下拉电阻的作用-哔哩哔哩】。
一下是笔者此次训练营的整个功率部分的电路：

隔离电路

最后，笔者还增加了一个隔离电路，用来保护单片机的IO口，这里的隔离电路有多种方案，可以使用缓冲芯片例如74HC245；亦可以使用光耦，这里笔者使用的是74HC245来实现，电路图如下：

光耦隔离举例：

至此整个硬件电路的原理图部分就大致完成了。

PCB绘制注意事项

这个部分内容比较多，在TI的官网上专门的文档，链接留给大家自行学习：
1.电机驱动器电路板布局的最佳实践；
2.大功率电机驱动器应用的系统设计注意事项；
3.针对使用 BLDC 电机的电动自行车的硬件设计注意事项。
另外还可以查看上面的唐老师将电赛的视频，对PCB的绘制也有介绍。

效果预览

立创&芯源无刷电机训练营

总结

能够成功复现出训练营的功能，笔者自己还是很开心的，又掌握了一种电机的控制方式，有关的软件介绍笔者后续会不定期更新，以上内容如有不足之处，欢迎大家批评指正，想要学习无刷电机的可以去B站找立创eda与芯源的回放。