用MCU驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)速到10萬轉(zhuǎn)，沒注意這些細(xì)節(jié)，差點(diǎn)翻車！

工程師進(jìn)階筆記

一、無刷電機(jī)調(diào)速控制是電機(jī)控制的基本要求。
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* D; |) }) v4 Y( n  R) A常見的控制方式無外乎幾種：電位器（AD）調(diào)速、PWM調(diào)速、分段速度調(diào)速（或給定速度調(diào)速）。

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+ t# ]! K$ X, i; l, I最近在調(diào)高速無刷電機(jī)無級調(diào)速時(shí)遇到一些問題，結(jié)合自己近20年的電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，分享一些問題和心得。
) y- N* t4 S: E# G  m; `) |我最近開發(fā)的這個(gè)應(yīng)用，MCU選用了CW32L010，采用AD比較過零點(diǎn)，無感控制BLDC方式，AD轉(zhuǎn)換速率最快為2M。
( C- h4 u0 [$ r+ W  {( ^即每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣時(shí)間為0.5US。一個(gè)PWM周期按5路AD轉(zhuǎn)換需求來算，一個(gè)周期內(nèi)，AD轉(zhuǎn)換時(shí)間約為2.5US。
8 ]$ ?5 ~1 @+ Q, F6 }二、當(dāng)使用AD電位器調(diào)速時(shí)可能存在的問題：
3 H- B8 h$ w$ O4 W5 G2 h! \+ F使用AD電位器調(diào)速時(shí)，調(diào)速精度最高計(jì)算方法：100000/4096=24.4RPM（以CW32L010為12位AD計(jì)算）。
即每個(gè)AD轉(zhuǎn)換精度位，可調(diào)轉(zhuǎn)速精度最高為24.4RPM。若存在2個(gè)AD轉(zhuǎn)換位誤差時(shí)，轉(zhuǎn)速變化將為50RPM左右。
$ `( Q: e7 o& Y5 g實(shí)際控制中，由于硬件上地線干擾等引起的AD輸入的干擾，會引起更多不確定的AD轉(zhuǎn)換位誤差，所以在沒有做軟件AD濾波的時(shí)候，無極調(diào)速很難將速度控制在一個(gè)理想值。
5 F- `5 m. L: S0 c; U因此，在使用電位器無極調(diào)速時(shí)，發(fā)生ADC采集到的給定的電壓值存在浮動(dòng)（或開環(huán)占空比浮動(dòng)），容易引起電機(jī)輸出速度的浮動(dòng)。
4 ]: b$ C! p% T) y) j  B反映在高轉(zhuǎn)速電機(jī)上，如暴力風(fēng)扇、高速風(fēng)機(jī)、可以聽到電機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)速不恒定而產(chǎn)生不均勻的噪音。就像末日刮風(fēng)胡亂吹一樣。
幾乎所有涉及到高速電機(jī)的產(chǎn)品，很少有用無極調(diào)速的方式，更多的是使用分段給定速度的方法，也就是換擋調(diào)速。
但有時(shí)客戶有應(yīng)用需求，也有簡單的方法可以解決，也就是在AD轉(zhuǎn)換上加一道濾波算法，將AD采集的干擾濾除。
這樣會使調(diào)速精度降低，從而略微影響電機(jī)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)速變化的平滑度。
三、當(dāng)使用PWM調(diào)速時(shí)可能存在的問題：
6 d$ e3 B' q5 m$ z8 k/ `+ ~教科書的PWM調(diào)速，是讓MCU對PWM進(jìn)行輸入捕獲，但在實(shí)際使用中仍會有很多問題。
比如這個(gè)PWM占空比的識別，存在非常占用中斷資源和定時(shí)器時(shí)鐘資源的問題，這給MCU的運(yùn)算處理增加了很多負(fù)擔(dān)，PWM輸入頻率越低，MCU負(fù)擔(dān)越輕。
同時(shí)，外部的干擾有時(shí)會導(dǎo)致定時(shí)器精度受限，也會出現(xiàn)無法準(zhǔn)確識別100%占空比的情況（這種可以將99%占空比認(rèn)定為100%）
在很多普遍的應(yīng)用中，都是在硬件的PWM輸入處增加一個(gè)RC濾波器，將PWM值轉(zhuǎn)換成AD模擬值，有時(shí)為了提升轉(zhuǎn)換的線性度，也會使用運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)跟隨器電路，增大RC輸入的內(nèi)阻。此時(shí)PWM輸入頻率越高越好。
但這種方式也有點(diǎn)小問題，在不標(biāo)定的情況下，無法準(zhǔn)確確定PWM轉(zhuǎn)AD的線性的對應(yīng)關(guān)系。
如果回到PWM輸入捕獲，在使用PWM頻率為10K時(shí)，我們不使用輸入捕獲功能，而是改為IO邊沿中斷，減輕MCU運(yùn)算負(fù)擔(dān)，PWM引起的IO中斷頻率將為20K(需要捕獲2次邊沿中斷)，即50US。
此時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)執(zhí)行器，在一些控制應(yīng)用中，可以通過外部增加如壓力、溫度、速度等閉環(huán)控制。
四、使用分段速度給定可能存在的問題：
6 }+ Z5 h8 z1 v4 J分段速度最易理解。在這里指不做無級調(diào)速，固定幾個(gè)速度值，或三檔或五檔或十檔，進(jìn)行切換調(diào)整。該方法可以通過按鍵切換速度檔位，或以通訊控制給定確定不變的速度值。
. }6 v/ `7 U: K, A7 a' H+ `/ ]很多新人工程師想當(dāng)然的去做時(shí)，卻會發(fā)現(xiàn)在這種方式下，由于速度調(diào)整變化，在不同檔位之間切換時(shí)會有不連續(xù)的感覺。
以風(fēng)機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)最為明顯，也以降檔（降速）控制最為明顯，只需要平緩降（升）速即可解決。
不合理的調(diào)速策略，可能會帶來產(chǎn)品噪音及運(yùn)行穩(wěn)定性的問題，雖然調(diào)速是電機(jī)控制的基本內(nèi)容，但在產(chǎn)品及工程應(yīng)用時(shí)，需要考慮很多細(xì)節(jié)因素。
而對于很多經(jīng)驗(yàn)不足的工程師，在排查開發(fā)問題時(shí)，往往不會關(guān)注到他們的調(diào)速策略是否合理，導(dǎo)致項(xiàng)目無法順利完成。
以上都是結(jié)合自己的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)淺談一下，歡迎批評建議和討論。
五、寫在最后：
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