基于CW32單片機(jī)的手電鉆驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目介紹

前言

手電鉆是一種常見的便攜式電動(dòng)工具，它由一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)和一個(gè)可充電電池組成。這個(gè)電動(dòng)馬達(dá)通過傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力給機(jī)頭上的鉆頭，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔、螺絲擰緊、切割或打磨等任務(wù)。一般來說，手電鉆通常有這幾個(gè)重要的部件：

（1）電動(dòng)馬達(dá)：它是手電鉆的核心部件，負(fù)責(zé)產(chǎn)生動(dòng)力并驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。不同型號(hào)的手電鉆功率不同。高功率的電動(dòng)馬達(dá)可以提供更大的扭矩和更高的轉(zhuǎn)速，適用于處理堅(jiān)硬材料或需要更快速度的工作。

（2）鉆頭：鉆頭是安裝在手電鉆機(jī)頭上的可更換配件，用于進(jìn)行鉆孔或切割操作。鉆頭的尺寸和類型根據(jù)不同的工作需求而變化，例如木材鉆頭、金屬鉆頭、混凝土鉆頭等。一些手電鉆還可以配備其他類型的機(jī)頭，如螺絲刀頭、砂輪切割頭等。

（3）電池：手電鉆通常使用可充電電池供電，這樣可以使其更加便攜和靈活。電池容量的大小決定了工作時(shí)間的長短，較大容量的電池可以提供更長時(shí)間的使用。一些手電鉆還支持快速充電功能，在短時(shí)間內(nèi)充滿電池以提高工作效率。

手柄和握把：手電鉆通常具有一個(gè)手柄和一個(gè)握把，使操作更加穩(wěn)定和舒適。手柄是保持平衡和穩(wěn)定的主要手部支撐，而握把則用于按下觸發(fā)器按鈕和控制手電鉆的方向。

（4）手電鉆的設(shè)計(jì)和功能使其成為許多家庭維修、裝飾和建筑工作中不可或缺的工具。它的便攜性、靈活性和易于使用使得用戶可以在各種材料上進(jìn)行精確的鉆孔和切割操作。

2.CW32手電鉆驅(qū)動(dòng)板介紹

1.2.1簡介

在本項(xiàng)目中，我們使用CW32手電鉆驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)手電鉆的無刷電機(jī)，電池使用18V電池組。建議功率100~200W；該驅(qū)動(dòng)板具有欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、電量檢測、正反轉(zhuǎn)切換，剎車等功能?？蓮V泛應(yīng)用于各類無刷電機(jī)的控制。

1.2.2項(xiàng)目組成

（1）CW32主控芯片：

控制器的選擇對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目來說特別重要。好的控制器能產(chǎn)生事半功倍的效果，這是整個(gè)項(xiàng)目的大腦，它負(fù)責(zé)控制電機(jī)的運(yùn)行和參數(shù)調(diào)節(jié)。而CW32主控芯片的高性能和低功耗的特點(diǎn)，完全能勝任整個(gè)項(xiàng)目的要求。

（2）無刷電機(jī)：

無刷電機(jī)是項(xiàng)目的核心部分，相比傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)，它壽命更長、穩(wěn)定性更好、效率更高，能產(chǎn)生的功率更大。

（3）硬件電路：

包含控制電路，電流采集電路，母線電壓采集電路，反電動(dòng)勢采集電路，電源電路。

（4）軟件編寫：

包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)代碼，高壓，低壓保護(hù)。電流保護(hù)，速度異常保護(hù)，空載保護(hù)、電量檢測、正反轉(zhuǎn)切換，剎車等。

二、電路設(shè)計(jì)說明

CW32手電鉆驅(qū)動(dòng)板硬件設(shè)計(jì)包含3個(gè)部分：無刷驅(qū)動(dòng)電路，電源控制電路，單片機(jī)及外設(shè)。

2.1 無刷驅(qū)動(dòng)部分

無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)又分為反電動(dòng)勢檢測、電流采集、電源電壓采集，和MOS驅(qū)動(dòng)電路。

2.1.1 反電動(dòng)勢檢測

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢的方向與繞組的電壓相反，極性與勵(lì)磁電壓相反，故一般稱為反電動(dòng)勢或反電勢。

本次使用的反電動(dòng)勢采樣電路如下，一段接電機(jī)的三個(gè)相線，另外一端接單片機(jī)的三個(gè)ADC輸入引腳，中間使用電阻對(duì)反電動(dòng)勢的電壓進(jìn)行分壓。

2.1.2 電源電壓采集

在無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要在每個(gè)控制周期將母線電壓與懸空相的端電壓進(jìn)行比較，從而獲得反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，在檢測到反電動(dòng)勢過零之后，延時(shí)30°電角度即可進(jìn)行換相操作。在PWM的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)采集時(shí)，此時(shí)的理論的中性點(diǎn)電壓為0V；在PWM的開通時(shí)間內(nèi)采集時(shí)，此時(shí)理論的母線電壓為電源電壓的一半。

由于在TON時(shí)刻采樣時(shí)需要母線電壓的一半與反電動(dòng)勢進(jìn)行比較，以確定零點(diǎn)的位置，所以在電路設(shè)計(jì)中，我們將直接將電源電壓采集電路的分壓電阻設(shè)置為200k和5.1k，為上述的反電動(dòng)勢采集電路的分壓比的二分之一，這樣ADC采集出來的值就不再需要多余的運(yùn)算，減少了MCU的負(fù)擔(dān)

2.1.3 電流采集

本項(xiàng)目中使用運(yùn)放對(duì)采樣電阻上的電壓進(jìn)行放大，偏置電壓為1V左右，放大倍率為11倍。

2.1.4 MOS驅(qū)動(dòng)電路

本項(xiàng)目中柵極MOS的驅(qū)動(dòng)芯片使用的是FD6288。

FD6288T&Q 是一款集成了三個(gè)獨(dú)立的半橋柵極驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，專為高壓、高速驅(qū)動(dòng) MOSFET 設(shè)計(jì)，可在高達(dá)+250V 電壓下工作。

FD6288T&Q 內(nèi)置 VCC/VBS 欠壓（UVLO）保護(hù)功能，防止功率管在過低的電壓下工作。FD6288T&Q 內(nèi)置直通防止和死區(qū)時(shí)間，防止被驅(qū)動(dòng)的高低側(cè) MOSFET 直通，有效保護(hù)功率器件。

FD6288T&Q 內(nèi)置輸入信號(hào)濾波，防止輸入噪聲干擾。

2.2 電源控制電路

2.2.1 上電邏輯

當(dāng)手電鉆上的滑塊按下時(shí)，上圖中的NO_4和NO_5會(huì)連在一起，VIN將通過二極管和限流電阻流經(jīng)三極管的基極，最后返回電源負(fù)極。

Q3三極管基極正偏，三極管導(dǎo)通。

Q1三極管基極接地，三極管導(dǎo)通，

VIN經(jīng)過穩(wěn)壓二極管后電壓降為11.5V左右

經(jīng)過一個(gè)LDO，11.5V的電壓被穩(wěn)到了5V，用于給單片機(jī)供電。

當(dāng)單片機(jī)得電后，會(huì)將ON-OFF_CONTROL引腳拉高，使Q3三極管一直處于開通狀態(tài)，整個(gè)電源部分完成自鎖。

2.3 單片機(jī)及外設(shè)

本項(xiàng)目使用的是CW32F030系列的MCU，其采用先進(jìn)的處理器架構(gòu)和高頻率運(yùn)行的CPU，具備較高的計(jì)算能力和響應(yīng)速度。它可以處理復(fù)雜的算法和任務(wù)，并且在實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用中有良好的性能表現(xiàn)。并且CW32通過優(yōu)化的電源管理技術(shù)和低功耗設(shè)計(jì)，可以在工作時(shí)保持較低的功耗。CW32是一種廣泛應(yīng)用的單片機(jī)，具有龐大的開發(fā)社區(qū)和資源支持。開發(fā)者能夠方便地獲取到豐富的官方文檔、軟件開發(fā)工具和例程等，以及來自其他開發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)分享和技術(shù)支持。

2.3.1 CW32單片機(jī)核心系統(tǒng)

因?yàn)楸卷?xiàng)目不需要用到高精度時(shí)鐘和低速晶振進(jìn)行長時(shí)間計(jì)時(shí)，因此則省略這部分電路。

2.3.2 指示燈

在電路板上，有三顆LED用于指示當(dāng)前電池電量。三顆LED與MCU的連接均為灌電流模式

2.4 PCB實(shí)物圖

三、程序編寫說明

直流無刷電機(jī)由于定子繞組的反電動(dòng)勢與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，所以電機(jī)在靜止時(shí)反電動(dòng)勢為零或低速時(shí)反電動(dòng)勢很小，此時(shí)無法根據(jù)反電動(dòng)勢信號(hào)確定轉(zhuǎn)子磁極的位置。因此，反電動(dòng)勢法需要采用特殊啟動(dòng)技術(shù)，從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大。通過反電勢能檢測到過零時(shí)，再切換至直流無刷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。這個(gè)過程稱為“三段式”啟動(dòng)，主要包括轉(zhuǎn)子預(yù)定位、加速和運(yùn)行狀態(tài)切換三個(gè)階段。這樣既可以使電機(jī)轉(zhuǎn)向可控，又可以保證電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后再進(jìn)行切換，保證了啟動(dòng)的可靠性。

電機(jī)轉(zhuǎn)子預(yù)定位

若要保證直流無刷電機(jī)能夠正常啟動(dòng)，首先要確定轉(zhuǎn)子在靜止時(shí)的位置。

在小型輕載條件下，對(duì)于具有梯形反電勢波形的直流無刷電機(jī)來說，一般采用磁制動(dòng)轉(zhuǎn)子定位方式。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，任意給定一組觸發(fā)脈沖，在氣隙中形成一個(gè)幅值恒定、方向不變的磁通。只要保證其幅值足夠大，那么這一磁通就能在一定時(shí)間內(nèi)將電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)行定位在這個(gè)方向上。

在應(yīng)用中，可以在任意一組繞組上通電一定時(shí)間，其中預(yù)定位的PWM占空比和預(yù)定位時(shí)間的長短設(shè)定值可由具體電機(jī)特性和負(fù)載決定，在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)試而得。

在預(yù)定位成功后，轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)前可達(dá)到預(yù)定的位置，為電機(jī)啟動(dòng)做好準(zhǔn)備。

電機(jī)的外同步加速

確定了電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置后，由于此時(shí)定子繞組中的反電動(dòng)勢仍為零，所以須人為改變電機(jī)的外施電壓和換相信號(hào)，使電機(jī)由靜止逐步加速運(yùn)動(dòng)。這一過程稱為外同步加速。對(duì)于不同的外施電壓調(diào)整方法和換相信號(hào)調(diào)整方法，外同步加速可劃分為三類：

換相信號(hào)頻率不變，逐步增大外施電壓使電機(jī)加速，稱為恒頻升壓法。

保持外施電壓不變，逐漸增高換相信號(hào)的頻率，使電機(jī)逐步加速，稱為恒壓升頻法。

在逐步增大外施電壓的同時(shí)，增高換相的頻率，稱為升頻升壓法。

各個(gè)方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如升頻升壓法是人為地給電機(jī)施加一個(gè)由低頻到高頻不斷加速的他控同步切換信號(hào)，而且電壓也在不斷地增加。通過調(diào)整電機(jī)換相頻率，即可調(diào)整電機(jī)啟動(dòng)的速度。調(diào)整方法比較簡單。但是這個(gè)過程較難實(shí)現(xiàn)。切換信號(hào)的頻率的選擇要根據(jù)電機(jī)的極對(duì)數(shù)和其他參數(shù)來確定。太低，電機(jī)無法加速；太高，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到，會(huì)有噪聲甚至無法啟動(dòng)，算法比較困難。

無論哪種方法，該過程都是在未檢測到反電動(dòng)勢信號(hào)時(shí)進(jìn)行。因此對(duì)于控制系統(tǒng)來說此段電機(jī)控制是盲區(qū)。參數(shù)在調(diào)試好的時(shí)候，可以快速切換至正常運(yùn)行狀態(tài)；而參數(shù)不理想時(shí)，電流可能不穩(wěn)甚至電機(jī)會(huì)抖動(dòng)。因此，在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電機(jī)及負(fù)載特性設(shè)定合理的升速曲線，并在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成切換。

電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

當(dāng)電機(jī)通過外同步加速到一定的轉(zhuǎn)速，反電勢信號(hào)可以準(zhǔn)確檢測時(shí)，即可由外同步向自同步切換?？梢酝ㄟ^試驗(yàn)觀察反電勢信號(hào)能夠被準(zhǔn)確檢測的轉(zhuǎn)速。在進(jìn)行切換有兩種方法：一種是測速模塊可以測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)達(dá)到這一轉(zhuǎn)速時(shí)即可進(jìn)行切換；另一種，通過試驗(yàn)檢測出達(dá)到預(yù)定切換轉(zhuǎn)速的時(shí)間，通過軟件定時(shí)器設(shè)置切換時(shí)間。

這一步是關(guān)鍵也是比較難實(shí)現(xiàn)的一步。有時(shí)軟件或者硬件設(shè)計(jì)的不合理都可能導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。通常是采用估算的方式來選擇切換速度。

通過上面的分析可知，無位置傳感器直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)就是加速及切換階段。當(dāng)電機(jī)順利啟動(dòng)后，就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速操作。其中，無位置傳感器直流無刷電機(jī)和有位置傳感器直流無刷電機(jī)調(diào)速原理一致。但，由于無感三段式啟動(dòng)過程，轉(zhuǎn)子位置檢測無效。因此，對(duì)電機(jī)進(jìn)行的速度PID閉環(huán)控制，須在電機(jī)啟動(dòng)順利完成后進(jìn)行。

本項(xiàng)目的程序框圖如下：在程序上電后，首先進(jìn)行各種外設(shè)的初始化，完成后進(jìn)入while循環(huán)里輪詢執(zhí)行代碼。

審核編輯：湯梓紅