上個(gè)月幫一位做桌面級(jí)機(jī)械臂的同行收拾攤子他那臺(tái)設(shè)備的關(guān)節(jié)電機(jī)前后換了三回第一版用有刷直流電機(jī)跑到第三天電刷磨出的黑粉糊在編碼器碼盤(pán)上位置讀數(shù)開(kāi)始飄第二版換無(wú)刷結(jié)果電調(diào)啟動(dòng)一頓一頓負(fù)載稍大就觸發(fā)堵轉(zhuǎn)保護(hù)機(jī)器人在半空直接軟腳。這類(lèi)事在我接過(guò)的活里出現(xiàn)頻率高得離譜——很多人對(duì)有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的理解停留在一個(gè)便宜一個(gè)有勁真到選型和調(diào)試階段才發(fā)現(xiàn)兩者的驅(qū)動(dòng)邏輯、參數(shù)體系、故障模式幾乎不是同一套語(yǔ)言。這篇就把我這些年攢下的對(duì)比經(jīng)驗(yàn)、選型算法和調(diào)試手法攤開(kāi)講清楚兩種電機(jī)的換向原理差在哪、選型時(shí)哪幾筆賬最容易被漏算、KV值和轉(zhuǎn)矩常數(shù)怎么換算、H橋和三相橋各自該怎么調(diào)、遇到啟動(dòng)抖動(dòng)和異常發(fā)熱先查什么。不管你是剛接觸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新手還是已經(jīng)調(diào)過(guò)幾版板子的老手下面這些內(nèi)容都能直接抄去用。1. 兩種電機(jī)的底層差異到底在哪搞不清換向這件事后面所有的選型和調(diào)試都是盲猜。電機(jī)能轉(zhuǎn)本質(zhì)是定子磁場(chǎng)拖著轉(zhuǎn)子跑而轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度線(xiàn)圈里的電流方向必須跟著翻一次這個(gè)翻的動(dòng)作就是換向。有刷和無(wú)刷的全部差異都濃縮在誰(shuí)來(lái)干這個(gè)翻的動(dòng)作上。一個(gè)是靠碳刷和換向器物理接觸硬掰一個(gè)是靠功率管電子開(kāi)關(guān)軟切兩條路線(xiàn)各自帶著一串甩不掉的副作用。1.1 有刷電機(jī)機(jī)械換向的代價(jià)與紅利有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單到可以用一句大白話(huà)概括定子是永磁體轉(zhuǎn)子是繞好線(xiàn)的電樞電樞上焊著一圈銅片叫換向器兩個(gè)碳?jí)K壓在銅片上叫電刷電流從電刷進(jìn)去、經(jīng)過(guò)換向器分配到不同的線(xiàn)圈。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到哪兒換向器就把電流自動(dòng)切到哪一組線(xiàn)圈磁場(chǎng)方向永遠(yuǎn)跟定子對(duì)得上轉(zhuǎn)矩就持續(xù)存在。這套機(jī)構(gòu)不需要任何外部電路配合給它兩根線(xiàn)通上直流電它自己就會(huì)轉(zhuǎn)。紅利非常直接驅(qū)動(dòng)器成本幾乎為零。一個(gè)H橋芯片、幾個(gè)MOS管、一路PWM幾塊錢(qián)的事連單片機(jī)都可以省掉一個(gè)電位器加一片555就能調(diào)速。我見(jiàn)過(guò)不少低成本設(shè)備至今還在用這套方案因?yàn)樗腂OM確實(shí)壓得下去。另外有刷電機(jī)的低速啟動(dòng)特性很討喜從零速開(kāi)始就有額定的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不需要預(yù)定位、不需要開(kāi)環(huán)加速給電就走控制代碼里省掉一大坨狀態(tài)機(jī)。代價(jià)則集中在三個(gè)地方。第一個(gè)是電刷磨損這是物理接觸的必然結(jié)果碳刷磨完就得換壽命從幾百小時(shí)到幾千小時(shí)不等粉塵還會(huì)污染周?chē)墓鈱W(xué)件和編碼器。第二個(gè)是換向火花電刷離開(kāi)換向片的瞬間會(huì)拉弧這是天然的寬帶噪聲源EMC測(cè)試?yán)锝?jīng)常是它把輻射項(xiàng)頂超。第三個(gè)是維護(hù)不可預(yù)測(cè)電刷磨損不是線(xiàn)性的負(fù)載重、轉(zhuǎn)速高、環(huán)境干燥都會(huì)加速你很難給出一個(gè)準(zhǔn)確的保養(yǎng)周期。1.2 無(wú)刷電機(jī)把換向交給一堆MOS管無(wú)刷電機(jī)把這套機(jī)械結(jié)構(gòu)整個(gè)搬到了電路里。轉(zhuǎn)子換成永磁體定子繞三相線(xiàn)圈換向器換成了六顆或更多功率MOS管組成的三相橋電刷換成了霍爾傳感器或者反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)。控制器必須實(shí)時(shí)知道轉(zhuǎn)子在什么位置才能決定此刻該給哪兩相通電、電流往哪個(gè)方向流。位置一旦判斷錯(cuò)輕則抖動(dòng)失步重則燒管。好處是顯而易見(jiàn)的沒(méi)有物理接觸件壽命從幾千小時(shí)跳到幾萬(wàn)小時(shí)量級(jí)也不用擔(dān)心粉塵污染。換向由電子開(kāi)關(guān)完成可以做到很精確的相位控制效率普遍比同體積有刷電機(jī)高十到二十個(gè)百分點(diǎn)同等輸出下發(fā)熱明顯更低。轉(zhuǎn)速上限也高得多有刷電機(jī)受限于電刷和換向器的機(jī)械強(qiáng)度轉(zhuǎn)速拉到一兩萬(wàn)轉(zhuǎn)就開(kāi)始跳火花無(wú)刷輕松上到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至更高。麻煩的地方在于驅(qū)動(dòng)復(fù)雜度直接翻了一個(gè)數(shù)量級(jí)。你得處理三相橋的上下管死區(qū)否則直通就是炸管得有電流采樣做限流否則堵轉(zhuǎn)就是燒線(xiàn)圈得判斷轉(zhuǎn)子位置有感要接霍爾線(xiàn)、無(wú)感要采反電動(dòng)勢(shì)啟動(dòng)時(shí)還得先對(duì)齊再加速不能像有刷那樣給電就走。我見(jiàn)過(guò)太多項(xiàng)目在這里翻車(chē)——硬件畫(huà)完發(fā)現(xiàn)沒(méi)留電流采樣軟件調(diào)到一半發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)邏輯沒(méi)做只能重新打板。1.3 核心參數(shù)對(duì)照表下面這張表是我自己整理的一頁(yè)速查做方案評(píng)審時(shí)經(jīng)常直接甩給同事看。數(shù)值是行業(yè)常見(jiàn)區(qū)間具體項(xiàng)目還得看具體型號(hào)。對(duì)比維度有刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)換向方式碳刷換向器機(jī)械換向三相橋電子換向典型效率60%~75%80%~92%壽命量級(jí)數(shù)百至數(shù)千小時(shí)受電刷限制一萬(wàn)小時(shí)以上受軸承限制驅(qū)動(dòng)器成本極低單H橋即可較高需三相橋位置檢測(cè)MCU控制難度給電即轉(zhuǎn)PWM調(diào)速即可需預(yù)定位、換相表、限流保護(hù)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩零速即有額定轉(zhuǎn)矩需對(duì)齊與開(kāi)環(huán)加速低速轉(zhuǎn)矩略弱轉(zhuǎn)速上限受電刷限制通常2萬(wàn)轉(zhuǎn)以?xún)?nèi)可達(dá)數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)電磁噪聲換向火花帶來(lái)寬頻干擾開(kāi)關(guān)噪聲集中濾波相對(duì)好做維護(hù)需求定期更換電刷、清理粉塵基本免維護(hù)檢查軸承即可低速平穩(wěn)性低速有齒槽脈動(dòng)但整體平順六步換相低速脈動(dòng)明顯需FOC改善看這張表的時(shí)候有個(gè)坑要提醒效率那一欄的差距不是恒定的。有刷電機(jī)在小負(fù)載輕載時(shí)效率反而不算差差距真正拉開(kāi)是在中高負(fù)載區(qū)間。如果你的設(shè)備大部分時(shí)間跑在額定轉(zhuǎn)矩的20%以下為了那點(diǎn)效率差去上無(wú)刷投入產(chǎn)出比并不好看。2. 選型階段最容易算錯(cuò)的三筆賬選型這事我見(jiàn)過(guò)的最典型錯(cuò)誤是拿兩個(gè)電機(jī)的單價(jià)直接對(duì)比然后得出無(wú)刷貴三倍所以不劃算的結(jié)論。電機(jī)是系統(tǒng)里的一個(gè)部件它的成本要攤到整個(gè)系統(tǒng)、整個(gè)生命周期里去看。下面三筆賬如果算漏了任何一筆后期的返工成本都會(huì)遠(yuǎn)超當(dāng)初省下的錢(qián)。2.1 別只比電機(jī)本體價(jià)格算全生命周期先把成本拆開(kāi)看。有刷方案的成本構(gòu)成是電機(jī)本體 簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)器 電刷更換的人工與備件 因電刷粉塵導(dǎo)致的周邊件清洗或更換。無(wú)刷方案的成本構(gòu)成是電機(jī)本體 三相驅(qū)動(dòng)器含MCU、MOS、采樣、霍爾 開(kāi)發(fā)調(diào)試工時(shí) 一次性研發(fā)投入。短期看有刷贏長(zhǎng)期看分水嶺出現(xiàn)在兩個(gè)地方。第一是維護(hù)成本如果設(shè)備裝在需要拆機(jī)才能換電刷的位置一次上門(mén)維護(hù)的人工可能就是電機(jī)價(jià)格的好幾倍這種情況下無(wú)刷的溢價(jià)一兩次維護(hù)就賺回來(lái)了。第二是開(kāi)發(fā)工時(shí)無(wú)刷的驅(qū)動(dòng)調(diào)試是真費(fèi)時(shí)間一個(gè)從零開(kāi)始的團(tuán)隊(duì)做出穩(wěn)定可用的三相驅(qū)動(dòng)我見(jiàn)過(guò)的實(shí)際投入在兩到六周之間取決于有沒(méi)有成熟的參考方案。所以小批量、低成本、維護(hù)方便的產(chǎn)品有刷依然是最優(yōu)解批量大、維護(hù)困難、壽命要求高的產(chǎn)品無(wú)刷的前期投入是值得的。還有一個(gè)隱性成本容易被忽略有刷電機(jī)的火花干擾會(huì)讓你的EMC整改變得更貴。整改一次的錢(qián)可能比兩個(gè)方案之間的電機(jī)差價(jià)還高。這一條我在做某款帶無(wú)線(xiàn)通信模塊的設(shè)備時(shí)吃過(guò)虧最后是給電機(jī)兩端加了一整套濾波才壓下去。2.2 轉(zhuǎn)速與扭矩的匹配先定減速比再定電機(jī)新手最常犯的順序錯(cuò)誤是先挑電機(jī)、再想辦法湊轉(zhuǎn)速。正確順序反過(guò)來(lái)先根據(jù)負(fù)載算出末端的轉(zhuǎn)速和扭矩需求再倒推電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩最后決定要不要加減速箱。算例走一遍。假設(shè)一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)的輪子直徑80毫米要求最高行進(jìn)速度1.2米每秒整車(chē)加負(fù)載20公斤爬坡角度按15度算。先算轉(zhuǎn)速輪子周長(zhǎng) π × 0.08 0.251米末端轉(zhuǎn)速 1.2 / 0.251 4.78轉(zhuǎn)每秒也就是約287轉(zhuǎn)每分鐘。再算扭矩爬坡時(shí)需要克服的重力分量 20 × 9.8 × sin(15°) 20 × 9.8 × 0.259 50.8牛。假設(shè)兩個(gè)輪子分擔(dān)單輪需要25.4牛的推力乘以輪半徑0.04米得到單輪扭矩約1.02?！っ?。再考慮傳動(dòng)效率和滾動(dòng)阻力取1.3倍余量約1.3?！っ住Ｈ绻苯舆x一個(gè)額定扭矩1.3?！っ住⑥D(zhuǎn)速290轉(zhuǎn)每分鐘的電機(jī)體積會(huì)很大。更實(shí)際的做法是選一個(gè)高轉(zhuǎn)速小扭矩的電機(jī)配減速箱比如額定3000轉(zhuǎn)每分鐘、扭矩0.13?！っ椎碾姍C(jī)配10比1的減速箱輸出就是300轉(zhuǎn)、1.3?！っ渍脤?duì)上。這里要注意減速箱的效率行星減速一般0.9左右蝸輪蝸桿可能只有0.5到0.7算扭矩時(shí)要把效率除進(jìn)去。提示減速比選完之后一定要復(fù)核啟動(dòng)瞬間的扭矩。啟動(dòng)扭矩通常是額定扭矩的兩到三倍減速箱的允許瞬時(shí)扭矩如果不夠齒輪會(huì)直接崩齒。2.3 工況決定壽命連續(xù)堵轉(zhuǎn)、頻繁啟停、低速大扭矩同一個(gè)電機(jī)在不同的工況下壽命能差出好幾倍。我在選型時(shí)會(huì)把工況歸成四類(lèi)來(lái)分別判斷。連續(xù)運(yùn)行、負(fù)載平穩(wěn)這是最友好的工況兩種電機(jī)都能勝任主要看效率和壽命要求。有刷電機(jī)在這種工況下只要不超載電刷壽命能跑到標(biāo)稱(chēng)值。頻繁啟停、正反轉(zhuǎn)有刷電機(jī)的換向火花在每次啟停時(shí)都會(huì)加劇電刷磨損速度明顯上升正反轉(zhuǎn)切換時(shí)沖擊電流也大。這種工況我基本直接推無(wú)刷因?yàn)闊o(wú)刷的換向是電子的切換只是改變換相順序機(jī)械上沒(méi)有額外損耗。低速大扭矩這一條要特別小心。有刷電機(jī)低速時(shí)散熱差長(zhǎng)時(shí)間低速大電流會(huì)燒線(xiàn)圈無(wú)刷電機(jī)在六步換相下低速脈動(dòng)大需要靠減速箱或者FOC來(lái)改善。如果必須低速直驅(qū)無(wú)刷配FOC是更穩(wěn)的選擇但有感霍爾的安裝精度要認(rèn)真對(duì)待。連續(xù)堵轉(zhuǎn)或接近堵轉(zhuǎn)比如夾爪夾住工件后還持續(xù)出力。這種工況下兩種電機(jī)都會(huì)劇烈發(fā)熱解決方案不是換電機(jī)而是加限流和過(guò)溫保護(hù)同時(shí)選型時(shí)把額定扭矩留出兩倍以上余量。我見(jiàn)過(guò)一個(gè)夾爪項(xiàng)目電機(jī)選得剛好夠用結(jié)果夾持力一調(diào)大線(xiàn)圈就發(fā)黑最后只能降額使用。2.4 選型決策表把上面的判斷壓縮成一張表實(shí)際做方案時(shí)按這個(gè)順序過(guò)一遍基本不會(huì)漏項(xiàng)。判斷項(xiàng)偏向有刷偏向無(wú)刷年產(chǎn)量與成本敏感度小批量、強(qiáng)成本約束中大批量、可攤薄研發(fā)維護(hù)可達(dá)性易拆卸、可定期保養(yǎng)封閉結(jié)構(gòu)、維護(hù)困難壽命要求數(shù)千小時(shí)以?xún)?nèi)一萬(wàn)小時(shí)以上轉(zhuǎn)速需求一萬(wàn)轉(zhuǎn)以?xún)?nèi)高速、需高功率密度低速平穩(wěn)性要求一般要求高可上FOC環(huán)境潔凈度對(duì)粉塵不敏感有光學(xué)件、潔凈要求電磁兼容壓力無(wú)射頻敏感電路帶無(wú)線(xiàn)通信、高精度采樣開(kāi)發(fā)資源無(wú)嵌入式人力有MCU與功率電子經(jīng)驗(yàn)這張表的使用方法是先看有沒(méi)有任何一項(xiàng)落在偏向無(wú)刷且屬于硬約束比如維護(hù)不可達(dá)、有潔凈要求有的話(huà)就直接定無(wú)刷剩下的成本問(wèn)題想辦法優(yōu)化如果全部落在左列那有刷就夠了別為了參數(shù)好看硬上無(wú)刷。3. 參數(shù)怎么讀、怎么算別被標(biāo)稱(chēng)值忽悠電機(jī)參數(shù)表上那串?dāng)?shù)字有一半是需要換算才能用的。KV值、堵轉(zhuǎn)電流、額定功率這幾個(gè)最容易誤讀讀錯(cuò)了輕則選型偏小重則驅(qū)動(dòng)一上電就保護(hù)。這一節(jié)把換算關(guān)系寫(xiě)清楚配一段可以直接跑的腳本。3.1 KV值、Kt、Ke 三個(gè)數(shù)的換算關(guān)系無(wú)刷電機(jī)參數(shù)表上最常見(jiàn)的KV值定義是每伏特電壓對(duì)應(yīng)的空載轉(zhuǎn)速單位是轉(zhuǎn)每分鐘每伏。比如KV1000接12伏空載大約能跑到12000轉(zhuǎn)。這個(gè)數(shù)只對(duì)空載有意義帶載之后轉(zhuǎn)速會(huì)掉掉多少取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電機(jī)內(nèi)阻。真正在算扭矩時(shí)要用的是轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt單位是?！っ酌堪才?。它和KV值在理想情況下是倒數(shù)關(guān)系換算公式是Kt 60 / (2π × Kv)拿KV1000代入Kt 60 / (6.2832 × 1000) 0.00955?！っ酌堪才唷Ｒ馑际敲拷o1安培電流理論上輸出9.55毫?！っ椎呐ぞ?。想輸出0.1牛·米就需要約10.5安培。這個(gè)換算在估算電流預(yù)算時(shí)非常好用。反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ke的單位是伏每千轉(zhuǎn)每分鐘數(shù)值上約等于KV的倒數(shù)乘以1000實(shí)際工程中直接按 Ke ≈ 1000/KV 估。Ke的用處是算高速時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)12000轉(zhuǎn)時(shí)反電動(dòng)勢(shì)約等于12伏也就是說(shuō)這時(shí)候母線(xiàn)電壓如果只有12伏電機(jī)已經(jīng)到極限轉(zhuǎn)速了再往上必須提高母線(xiàn)電壓。注意實(shí)際電機(jī)的Kt會(huì)比理論值低一些因?yàn)橛需F損、銅損和漏磁。我在做電流預(yù)算時(shí)習(xí)慣把理論Kt乘個(gè)0.85的安全系數(shù)寧可多留一點(diǎn)余量。3.2 電流預(yù)算堵轉(zhuǎn)、峰值、持續(xù)驅(qū)動(dòng)板燒掉的案例里有一大半是電流預(yù)算沒(méi)算對(duì)。三個(gè)電流值必須分開(kāi)算混為一談就是災(zāi)難。堵轉(zhuǎn)電流是最壞情況下的電流等于母線(xiàn)電壓除以回路總電阻。有刷電機(jī)直接用萬(wàn)用表量繞組兩端電阻12伏電源、量出來(lái)0.8歐堵轉(zhuǎn)電流就是15安。無(wú)刷電機(jī)要量任意兩相之間的線(xiàn)電阻因?yàn)榱綋Q相時(shí)電流總是走兩相串聯(lián)比如線(xiàn)電阻0.6歐12伏下的理論堵轉(zhuǎn)電流就是20安。這個(gè)值決定了MOS管的選型下限實(shí)際選型時(shí)按堵轉(zhuǎn)電流的1.5倍留裕量。峰值電流是短時(shí)間允許通過(guò)的電流通常由線(xiàn)圈的溫升速率決定持續(xù)時(shí)間在幾秒量級(jí)。啟動(dòng)瞬間、加速瞬間都會(huì)沖到峰值。你可以在驅(qū)動(dòng)里設(shè)置一個(gè)電流鉗位讓控制器只在需要的時(shí)候放開(kāi)。持續(xù)電流才是發(fā)熱的元兇。線(xiàn)圈溫升和電流的平方成正比持續(xù)電流翻倍溫升就是四倍。選型時(shí)按額定工況下的持續(xù)電流來(lái)別拿峰值去選散熱器。下面這段腳本可以直接改參數(shù)跑輸出關(guān)鍵估算值import math # 按實(shí)際情況改這幾個(gè)數(shù) V_bus 12.0 # 母線(xiàn)電壓 V Kv 1000.0 # 無(wú)刷電機(jī)KV值 rpm/V R_line 0.6 # 兩相間線(xiàn)電阻 歐姆 rated_torque 0.1 # 目標(biāo)輸出扭矩 N·m Kt 60.0 / (2 * math.pi * Kv) * 0.85 # 乘0.85為經(jīng)驗(yàn)修正 I_for_torque rated_torque / Kt I_stall V_bus / R_line P_peak V_bus * I_stall print(f修正后Kt : {Kt:.5f} N·m/A) print(f目標(biāo)扭矩所需電流: {I_for_torque:.2f} A) print(f理論堵轉(zhuǎn)電流 : {I_stall:.2f} A) print(f堵轉(zhuǎn)瞬時(shí)功率 : {P_peak:.1f} W) print(f按1.5倍選MOS管 : {I_stall*1.5:.1f} A 以上)跑出來(lái)如果發(fā)現(xiàn)所需電流接近堵轉(zhuǎn)電流的七八成說(shuō)明電機(jī)選小了正常工況應(yīng)該落在堵轉(zhuǎn)電流的三成到五成之間留出加速和抗擾的余量。3.3 母線(xiàn)電壓與調(diào)速范圍的取舍母線(xiàn)電壓這個(gè)參數(shù)新手習(xí)慣往高了選覺(jué)得電壓高就有勁。這里面有兩個(gè)約束。第一是電機(jī)絕緣和驅(qū)動(dòng)器耐壓。24伏系統(tǒng)的MOS管選40伏或60伏都行48伏系統(tǒng)就要上100伏管成本和體積差距不小。第二是低速調(diào)節(jié)精度。同樣用8位PWM母線(xiàn)12伏時(shí)最小電壓步進(jìn)是12/256 ≈ 47毫伏母線(xiàn)48伏時(shí)步進(jìn)就是188毫伏。如果你的應(yīng)用需要很精細(xì)的低速控制比如輕負(fù)載緩慢平移母線(xiàn)電壓太高反而會(huì)讓低速段一格一格跳。我的經(jīng)驗(yàn)做法是讓額定工況落在母線(xiàn)電壓的60%到80%之間。也就是電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下需要10伏選12伏母線(xiàn)需要18伏選24伏母線(xiàn)。這樣留出的余量既夠加速用又不會(huì)讓PWM分辨率太浪費(fèi)。如果確實(shí)需要寬調(diào)速范圍可以把PWM頻率提高、定時(shí)器位數(shù)加到12位或更高或者干脆用電流環(huán)代替純電壓調(diào)。3.4 極對(duì)數(shù)與電角度無(wú)刷專(zhuān)用無(wú)刷電機(jī)參數(shù)里的極對(duì)數(shù)是競(jìng)選型表時(shí)最容易被忽略的一行但它直接決定了電角度和霍爾安裝。極對(duì)數(shù)的意思是轉(zhuǎn)子上一共有幾對(duì)N-S極比如7對(duì)極就是14個(gè)磁極。關(guān)鍵換算電角度 機(jī)械角度 × 極對(duì)數(shù)。轉(zhuǎn)子機(jī)械上轉(zhuǎn)一圈360度電氣上轉(zhuǎn)過(guò)的角度是360乘以極對(duì)數(shù)。7對(duì)極的電機(jī)轉(zhuǎn)一圈電氣上是7圈。這意味著一個(gè)電周期只有機(jī)械一周的七分之一換相表要跑七遍。這個(gè)換算在三個(gè)地方會(huì)用到。一是霍爾安裝霍爾傳感器需要按電角度間隔120度或60度布置裝錯(cuò)位置換相表就全亂。二是FOC的角度換算編碼器讀的是機(jī)械角必須乘極對(duì)數(shù)才能用于坐標(biāo)變換。三是轉(zhuǎn)速計(jì)算用霍爾跳變間隔算轉(zhuǎn)速時(shí)除的是電周期數(shù)而不是機(jī)械圈數(shù)。我見(jiàn)過(guò)一個(gè)調(diào)試案例轉(zhuǎn)速始終顯示為實(shí)際值的七分之一查了半天最后發(fā)現(xiàn)是極對(duì)數(shù)填錯(cuò)了。4. 有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)操有刷驅(qū)動(dòng)看起來(lái)簡(jiǎn)單一個(gè)H橋而已但真要做到穩(wěn)定可靠、調(diào)速順滑、不干擾別的東西里面還是有不少細(xì)節(jié)。這一節(jié)按我實(shí)際的調(diào)試順序走一遍。4.1 H橋拓?fù)渑cPWM頻率怎么定經(jīng)典H橋是四顆MOS管擺成工字型對(duì)角導(dǎo)通決定電流方向。做分立方案時(shí)要注意幾點(diǎn)上管必須是P管或者配自舉電路N管做上管方便但柵極驅(qū)動(dòng)電壓要高于母線(xiàn)需要電荷泵或自舉電容。小功率場(chǎng)合我會(huì)直接用集成的H橋驅(qū)動(dòng)芯片省掉一堆外圍但要注意它的持續(xù)電流和峰值電流指標(biāo)很多芯片標(biāo)稱(chēng)3安那是加了散熱焊盤(pán)、25度環(huán)境下的值實(shí)際裝在密閉外殼里可能只能跑到1.5安。PWM頻率的選擇有講究。頻率太低比如500赫茲電機(jī)會(huì)發(fā)出明顯的嗡嗡聲電流紋波也大低速時(shí)能感覺(jué)到明顯的頓挫頻率太高比如40千赫茲M(mǎn)OS管的開(kāi)關(guān)損耗上去了驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱明顯而且很多集成H橋的響應(yīng)速度跟不上占空比小了可能直接不出波形。我的常用區(qū)間是16到20千赫茲剛好在人耳聽(tīng)覺(jué)上限附近噪聲基本聽(tīng)不見(jiàn)開(kāi)關(guān)損耗也在可接受范圍。如果對(duì)噪聲特別敏感可以往22到25千赫茲走但要重新算一遍驅(qū)動(dòng)器的溫升。補(bǔ)一個(gè)實(shí)操細(xì)節(jié)調(diào)試時(shí)先把頻率定在1千赫茲跑一下用示波器看波形和電流確認(rèn)換向邏輯對(duì)了再往上提頻率聽(tīng)噪聲這樣排查問(wèn)題更快。4.2 續(xù)流、濾波、EMC 三件套有刷電機(jī)是感性負(fù)載MOS管關(guān)斷的瞬間線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)必須有續(xù)流通路否則電壓尖峰會(huì)直接擊穿管子。集成H橋內(nèi)部一般帶體二極管但體二極管的反向恢復(fù)特性一般大電流場(chǎng)合建議外并聯(lián)肖特基。判斷標(biāo)準(zhǔn)是摸管子的溫度——如果關(guān)斷瞬間的尖峰被吸收了管子溫度應(yīng)該比較均勻如果某一顆特別燙多半是續(xù)流路徑不對(duì)。濾波這塊要分兩頭做。電機(jī)側(cè)在兩端并聯(lián)一個(gè)0.1微法陶瓷電容外殼和端子之間再各接一個(gè)三個(gè)電容組成三角濾波能把換向火花的高頻成分壓下去不少。電源側(cè)在驅(qū)動(dòng)器入口加磁珠或者小電感配合電解電容和陶瓷電容組成LC濾波防止干擾順著電源線(xiàn)跑回主板。EMC這塊我的血淚教訓(xùn)是不要等測(cè)試不過(guò)才整改布線(xiàn)階段就要做。電機(jī)線(xiàn)雙絞、遠(yuǎn)離信號(hào)線(xiàn)、長(zhǎng)度盡量短、能貼地走就貼地走。有一次一個(gè)帶無(wú)線(xiàn)模塊的設(shè)備死活連不上查了兩天才發(fā)現(xiàn)是電機(jī)線(xiàn)跟天線(xiàn)饋線(xiàn)捆在一起走了一米多分開(kāi)走線(xiàn)之后問(wèn)題當(dāng)場(chǎng)消失。4.3 調(diào)速手感調(diào)優(yōu)死區(qū)、軟啟動(dòng)、制動(dòng)調(diào)速的手感是個(gè)很虛但用戶(hù)感知極強(qiáng)的指標(biāo)。同樣的硬件參數(shù)調(diào)得好就是絲滑調(diào)不好就是一頓一頓。死區(qū)補(bǔ)償H橋的上下管切換必須留死區(qū)時(shí)間防止直通但死區(qū)會(huì)導(dǎo)致低速時(shí)占空比失真表現(xiàn)為啟動(dòng)時(shí)有個(gè)跳變。解決辦法是在軟件里對(duì)死區(qū)造成的電壓損失做補(bǔ)償占空比低于某個(gè)閾值時(shí)稍微加一點(diǎn)。具體數(shù)值要實(shí)測(cè)我一般從死區(qū)時(shí)間的1.2倍開(kāi)始試。軟啟動(dòng)直接給滿(mǎn)占空比啟動(dòng)電流會(huì)沖到堵轉(zhuǎn)電流附近機(jī)械上也會(huì)有沖擊。做法是讓占空比在100到300毫秒內(nèi)線(xiàn)性爬升到目標(biāo)值爬升時(shí)間根據(jù)負(fù)載慣量調(diào)。慣量大的負(fù)載用300毫秒輕負(fù)載用100毫秒就夠。制動(dòng)方式這個(gè)經(jīng)常被忽略。自由停車(chē)是直接斷電靠摩擦慢慢停簡(jiǎn)單但停不準(zhǔn)能耗制動(dòng)是把電機(jī)兩端短接動(dòng)能轉(zhuǎn)成熱停得快但電流大反接制動(dòng)是加反向電壓停得最快但沖擊最大容易燒管。我一般默認(rèn)用能耗制動(dòng)需要精確定位時(shí)配合編碼器做減速曲線(xiàn)比硬剎車(chē)舒服得多。4.4 有刷常見(jiàn)故障與處理電機(jī)不轉(zhuǎn)但驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱先量電機(jī)兩端有沒(méi)有電壓有電壓不轉(zhuǎn)就是電機(jī)卡死或者繞組斷路沒(méi)電壓就往上查驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)和PWM輸入。我遇到過(guò)一次是使能腳的上拉電阻虛焊量了半天以為是軟件問(wèn)題。轉(zhuǎn)速上不去、帶載就掉速多半是電源功率不夠或者線(xiàn)徑太細(xì)導(dǎo)致壓降大。用萬(wàn)用表量電機(jī)端子上的實(shí)際電壓如果比電源輸出低了一伏以上換粗線(xiàn)或者縮短線(xiàn)長(zhǎng)。運(yùn)行一段時(shí)間后轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、有異響先看電刷。拆開(kāi)看碳刷長(zhǎng)度磨到原來(lái)的一半以下就該換了。同時(shí)清理?yè)Q向器上的碳粉用無(wú)水乙醇擦別用砂紙磨。換向器表面發(fā)黑但光滑是正常的氧化膜不要磨掉磨掉之后反而磨損更快。干擾周邊電路前面說(shuō)的三電容加磁珠配合軟件上降低PWM邊沿的陡度如果有可調(diào)驅(qū)動(dòng)能力的話(huà)。5. 無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)操無(wú)刷這塊的內(nèi)容能寫(xiě)一本書(shū)我這里只挑實(shí)際項(xiàng)目里繞不開(kāi)的部分講重點(diǎn)是調(diào)試順序和幾個(gè)容易踩的坑。整套流程走下來(lái)一個(gè)新人大概兩到三周能調(diào)出一個(gè)能用的版本。5.1 三相橋與六步換相的基本盤(pán)三相橋是六顆MOS管每相一個(gè)半橋分上管和下管。任何時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通、一相懸空六步換相就是按固定順序輪流讓不同的兩相導(dǎo)通每步轉(zhuǎn)過(guò)60度電角度。下面這張換相表是基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)調(diào)試時(shí)我一般打印出來(lái)貼在手邊步序?qū)ㄉ瞎軐?dǎo)通下管懸空相電角度區(qū)間1A相B相C相0~60度2A相C相B相60~120度3B相C相A相120~180度4B相A相C相180~240度5C相A相B相240~300度6C相B相A相300~360度三個(gè)階段必須注意。死區(qū)是上管關(guān)斷到下管開(kāi)通之間的時(shí)間一般設(shè)幾百納秒到一微秒設(shè)太小會(huì)直通炸管設(shè)太大會(huì)導(dǎo)致低速轉(zhuǎn)矩?fù)p失。自舉電容如果上管用N溝道MOS每個(gè)電周期都要給自舉電容充電占空比接近100%時(shí)充電時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致上管驅(qū)動(dòng)電壓跌落表現(xiàn)為高速時(shí)突然失力。母線(xiàn)電容要就近放吸收換相瞬間的電流沖擊容量按每安培持續(xù)電流配100到200微法估。5.2 有感還是無(wú)感霍爾與反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零有感方案用三個(gè)霍爾傳感器直接讀轉(zhuǎn)子位置優(yōu)點(diǎn)是零速就知道位置啟動(dòng)可靠低速性能好缺點(diǎn)是要多三根線(xiàn)霍爾本身有溫漂和安裝誤差接線(xiàn)錯(cuò)了會(huì)直接換相錯(cuò)誤?；魻柊?20度電角度排布是最常見(jiàn)的也有60度排布的兩種的換相表不一樣接之前先確認(rèn)。無(wú)感方案靠檢測(cè)懸空相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)推斷位置優(yōu)點(diǎn)是不用霍爾、成本低、線(xiàn)少缺點(diǎn)是零速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為零無(wú)法判斷位置必須用特殊的啟動(dòng)策略而且低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)幅值小信噪比差容易失步。我的選擇邏輯很直接需要頻繁啟停、低速大扭矩、定位精度的場(chǎng)合一律用霍爾連續(xù)高速運(yùn)行、成本敏感、線(xiàn)纜受限的場(chǎng)合用無(wú)感。有些方案會(huì)做混合啟動(dòng)用霍爾高速切無(wú)感復(fù)雜度上升但兩頭的好處都能拿到。提示無(wú)感的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)需要延遲30度電角度才換相這個(gè)延遲時(shí)間隨轉(zhuǎn)速變化高速時(shí)延遲很短低速時(shí)延遲很長(zhǎng)。算錯(cuò)這個(gè)角度是導(dǎo)致無(wú)感方案效率低、發(fā)熱大的常見(jiàn)原因。5.3 啟動(dòng)三段式預(yù)定位、開(kāi)環(huán)、切閉環(huán)無(wú)感啟動(dòng)是整個(gè)調(diào)試?yán)镒钅ト说沫h(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)做法分三段。第一段是預(yù)定位也叫對(duì)齊。給一個(gè)固定的換相狀態(tài)通電比如A相接正、B相接負(fù)通電幾百毫秒把轉(zhuǎn)子強(qiáng)行拉到這個(gè)位置。電流不能太大否則會(huì)沖一下也不能太小否則拉不動(dòng)。我一般按額定電流的50%到70%來(lái)給時(shí)間給200到500毫秒慣量越大時(shí)間越長(zhǎng)。第二段是開(kāi)環(huán)加速按固定的時(shí)間間隔強(qiáng)行換相從低頻慢慢往上加速。這時(shí)候不考慮轉(zhuǎn)子實(shí)際位置就是我按這個(gè)節(jié)奏換你跟上。加速度要給得足夠溫柔太快轉(zhuǎn)子跟不上就失步表現(xiàn)為抖動(dòng)或者直接停轉(zhuǎn)。第三段是切閉環(huán)等轉(zhuǎn)速升到反電動(dòng)勢(shì)足夠大的時(shí)候切換到過(guò)零檢測(cè)換相。切換時(shí)機(jī)的判斷很關(guān)鍵太早切反電動(dòng)勢(shì)太小判斷不準(zhǔn)太晚切白白浪費(fèi)開(kāi)環(huán)時(shí)間。我一般按反電動(dòng)勢(shì)幅值到母線(xiàn)電壓的10%到15%作為切換閾值。調(diào)試這段的經(jīng)驗(yàn)是先把開(kāi)環(huán)跑通再考慮閉環(huán)。很多人一上來(lái)就想調(diào)閉環(huán)結(jié)果分不清是開(kāi)環(huán)沒(méi)配好還是切換出問(wèn)題。做法是寫(xiě)個(gè)測(cè)試模式讓電機(jī)在開(kāi)環(huán)下固定頻率轉(zhuǎn)用示波器看三相波形是否對(duì)稱(chēng)確認(rèn)沒(méi)問(wèn)題再往下走。5.4 電調(diào)關(guān)鍵參數(shù)與調(diào)試順序無(wú)刷電調(diào)的可調(diào)參數(shù)比有刷多得多我按調(diào)試順序列一遍照這個(gè)順序走能少走彎路。參數(shù)常用值作用與調(diào)法PWM頻率16~24千赫茲先定這個(gè)避開(kāi)聽(tīng)覺(jué)敏感區(qū)死區(qū)時(shí)間300~800納秒從大到小試直到波形不失真啟動(dòng)電流限制額定電流的60%~80%預(yù)定位和開(kāi)環(huán)階段用開(kāi)環(huán)換相間隔從20毫秒逐步降到2毫秒影響加速曲線(xiàn)寧慢勿快閉環(huán)切換閾值反電動(dòng)勢(shì)達(dá)母線(xiàn)10%~15%太低換相不準(zhǔn)太高浪費(fèi)高速區(qū)過(guò)流保護(hù)閾值堵轉(zhuǎn)電流的80%硬件比較器響應(yīng)別只靠軟件過(guò)溫保護(hù)閾值MOS結(jié)溫的80%用NTC貼MOS附近測(cè)調(diào)試順序建議是先空載、再輕載、最后滿(mǎn)載。空載階段確認(rèn)換相順序和轉(zhuǎn)向輕載階段調(diào)啟動(dòng)曲線(xiàn)滿(mǎn)載階段調(diào)限流和保護(hù)最后再回頭微調(diào)PID和濾波器參數(shù)。跳過(guò)任何一步都會(huì)在后面返工。5.5 無(wú)刷常見(jiàn)故障與處理上電就保護(hù)、電機(jī)不轉(zhuǎn)先斷開(kāi)電機(jī)只上電看驅(qū)動(dòng)器是否正常再量三相之間電阻是否平衡不平衡就是繞組有問(wèn)題或者接線(xiàn)錯(cuò)了。有一次我把三相線(xiàn)里的一根和霍爾線(xiàn)接反了癥狀就是上電即保護(hù)查了半天。啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)、原地來(lái)回晃典型的預(yù)定位時(shí)間不夠或者開(kāi)環(huán)加速太快。把預(yù)定位時(shí)間加長(zhǎng)一倍開(kāi)環(huán)間隔從慢往快調(diào)。能轉(zhuǎn)但一轉(zhuǎn)快就停大概率是反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)被開(kāi)關(guān)噪聲淹沒(méi)了加RC濾波或者調(diào)整采樣窗口也可能是自舉電容充電不足檢查高速時(shí)的上管驅(qū)動(dòng)電壓。滿(mǎn)載時(shí)突然掉力、電流飆升先看是不是失步了。失步的表現(xiàn)是電流突然變大但轉(zhuǎn)速下降用手摸電機(jī)能感覺(jué)到明顯的頓挫。原因是負(fù)載超過(guò)了當(dāng)前換相節(jié)奏能提供的扭矩解決辦法是加電流環(huán)或者提高母線(xiàn)電壓。MOS管發(fā)燙但電流不大檢查死區(qū)是不是設(shè)得太小導(dǎo)致輕微直通或者柵極電阻太大導(dǎo)致開(kāi)關(guān)過(guò)程變慢、開(kāi)關(guān)損耗上升。用示波器看柵極波形上升沿應(yīng)該在幾十到一百納秒量級(jí)。6. 現(xiàn)場(chǎng)排查速查與幾條保命經(jīng)驗(yàn)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)最耗時(shí)間的不是寫(xiě)代碼是定位問(wèn)題。這一節(jié)把常見(jiàn)現(xiàn)象和對(duì)應(yīng)的排查路徑整理成表配合幾個(gè)測(cè)量手法能省掉不少瞎試的時(shí)間。6.1 故障現(xiàn)象對(duì)照表現(xiàn)象有刷優(yōu)先排查無(wú)刷優(yōu)先排查完全不轉(zhuǎn)電刷接觸、繞組斷路、使能信號(hào)換相順序、霍爾接線(xiàn)、預(yù)定位啟動(dòng)抖動(dòng)電源功率不足、機(jī)械卡滯預(yù)定位時(shí)間、開(kāi)環(huán)加速度轉(zhuǎn)速不穩(wěn)電刷磨損、換向器臟污過(guò)零檢測(cè)噪聲、霍爾信號(hào)抖動(dòng)異常發(fā)熱長(zhǎng)期過(guò)載、低速大電流換相角偏差、死區(qū)不當(dāng)、失步電流超標(biāo)堵轉(zhuǎn)、繞組短路相間短路、驅(qū)動(dòng)直通干擾周邊換向火花開(kāi)關(guān)噪聲、地線(xiàn)布局壽命偏短電刷質(zhì)量、環(huán)境粉塵軸承、散熱、母線(xiàn)電容老化6.2 儀器與測(cè)量方法示波器是必需品不是可選項(xiàng)。看三相波形用三通道同時(shí)抓正常的六步換相波形應(yīng)該是三段對(duì)稱(chēng)的梯形波占空比一致。如果某一相的幅值明顯偏低查那一相的MOS管和驅(qū)動(dòng)電阻。電流測(cè)量?jī)?yōu)先用鉗形表或者串聯(lián)采樣電阻。串聯(lián)電阻要注意阻值不能太大否則影響回路鉗形表方便但小電流精度差。我一般用0.01歐的采樣電阻配合差分探頭既有精度又不影響電路。測(cè)溫別用手摸用熱電偶貼在線(xiàn)圈和MOS管殼上。手摸能忍受的溫度大概60度但MOS管結(jié)溫到125度才報(bào)警靠手感根本判斷不出來(lái)。我吃過(guò)一次虧摸著溫溫的結(jié)果跑了兩小時(shí)炸管事后測(cè)殼溫只有70度但結(jié)溫已經(jīng)逼近極限了。轉(zhuǎn)速測(cè)量可以用光電傳感器測(cè)反光貼紙也可以用霍爾信號(hào)算。用霍爾算要注意極對(duì)數(shù)換算前面說(shuō)過(guò)這個(gè)坑。6.3 幾條不打折的經(jīng)驗(yàn)第一條先做硬件保護(hù)再做軟件保護(hù)。過(guò)流用硬件比較器直接關(guān)斷驅(qū)動(dòng)軟件里再判斷一次。只靠軟件采樣判斷過(guò)流等你采到并執(zhí)行關(guān)斷管子可能已經(jīng)炸了。硬件保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間要在微秒級(jí)。第二條所有調(diào)試從上電限流開(kāi)始。第一次上電用可調(diào)電源限流設(shè)到預(yù)期電流的一半看到異常立刻斷電。這個(gè)習(xí)慣救過(guò)我很多次尤其是新板子第一次跑的時(shí)候。用電池直接上電調(diào)試新板是我見(jiàn)過(guò)最貴的壞習(xí)慣之一。第三條換相表和霍爾接線(xiàn)一定要畫(huà)出來(lái)核對(duì)。不要憑記憶接線(xiàn)畫(huà)一張表把每個(gè)霍爾狀態(tài)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通相對(duì)上接完用萬(wàn)用表逐個(gè)量通斷。這一步花五分鐘能省掉兩小時(shí)的排查。第四條留出測(cè)試點(diǎn)和調(diào)試接口。板子上給三相、母線(xiàn)、柵極各留測(cè)試點(diǎn)留一路串口或者SWD。這些在畫(huà)板時(shí)只是幾個(gè)焊盤(pán)的成本調(diào)試時(shí)能救命。我現(xiàn)在的板子一律留一個(gè)四針的調(diào)試口接上就能看波形和打日志。第五條別迷信參數(shù)表上的額定值。廠(chǎng)商標(biāo)的額定扭矩通常是在該扭矩下可以長(zhǎng)期運(yùn)行且溫升不超過(guò)某一標(biāo)準(zhǔn)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)跟你的實(shí)際散熱條件差得遠(yuǎn)。裝在密閉塑料殼里的電機(jī)能跑出的持續(xù)扭矩可能只有標(biāo)稱(chēng)的六成。我現(xiàn)在的做法是拿到樣機(jī)先做一輪溫升測(cè)試把實(shí)際可持續(xù)的扭矩標(biāo)出來(lái)然后再定控制參數(shù)。最后分享一個(gè)我自己常用的小技巧調(diào)無(wú)刷啟動(dòng)之前先用一個(gè)很低的目標(biāo)轉(zhuǎn)速讓電機(jī)開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)起來(lái)把三相波形抓下來(lái)存好作為正常狀態(tài)的基準(zhǔn)。后面出問(wèn)題時(shí)一對(duì)比是波形缺失、幅值不對(duì)還是相位偏了一眼就能看出來(lái)。這個(gè)基準(zhǔn)波形比任何文檔都管用因?yàn)樗窃谀阕约旱陌遄?、你自己的電機(jī)上測(cè)出來(lái)的所有寄生參數(shù)和布線(xiàn)影響都在里面。