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上位置讀數(shù)開始飄第二版換無刷結(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。這類事在我接過的活里出現(xiàn)頻率高得離譜——很多人對(duì)有刷電機(jī)和無刷電機(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)是定子磁場拖著轉(zhuǎn)子跑而轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)角度線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。有刷和無刷的全部差異都濃縮在誰來干這個(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)是靠功率管電子開關(guān)軟切兩條路線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)簡單到可以用一句大白話概括定子是永磁體轉(zhuǎn)子是繞好線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)過換向器分配到不同的線圈。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到哪兒換向器就把電流自動(dòng)切到哪一組線圈磁場方向永遠(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。我見過不少低成本設(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始就有額定的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不需要預(yù)定位、不需要開環(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)污染周圍的光學(xué)件和編碼器。第二個(gè)是換向火花電刷離開換向片的瞬間會(huì)拉弧這是天然的寬帶噪聲源EMC測試?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)測電刷磨損不是線性的負(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 無刷電機(jī)把換向交給一堆MOS管無刷電機(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?？刂破鞅仨殞?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。好處是顯而易見的沒有物理接觸件壽命從幾千小時(shí)跳到幾萬小時(shí)量級(jí)也不用擔(dān)心粉塵污染。換向由電子開關(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)速拉到一兩萬轉(zhuǎn)就開始跳火花無刷輕松上到幾萬轉(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)就是燒線圈得判斷轉(zhuǎn)子位置有感要接霍爾線、無感要采反電動(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。我見過太多項(xiàng)目在這里翻車——硬件畫完發(fā)現(xiàn)沒留電流采樣軟件調(diào)到一半發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)邏輯沒做只能重新打板。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2萬轉(zhuǎn)以內(nèi)可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)電磁噪聲換向火花帶來寬頻干擾開關(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過的最典型錯(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。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看。有刷方案的成本構(gòu)成是電機(jī)本體 簡單驅(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 開發(fā)調(diào)試工時(shí) 一次性研發(fā)投入。短期看有刷贏長期看分水嶺出現(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刷的溢價(jià)一兩次維護(hù)就賺回來了。第二是開發(fā)工時(shí)無刷的驅(qū)動(dòng)調(diào)試是真費(fèi)時(shí)間一個(gè)從零開始的團(tuán)隊(duì)做出穩(wěn)定可用的三相驅(qū)動(dòng)我見過的實(shí)際投入在兩到六周之間取決于有沒有成熟的參考方案。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線通信模塊的設(shè)備時(shí)吃過虧最后是給電機(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。正確順序反過來先根據(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米每秒整車加負(fù)載20公斤爬坡角度按15度算。先算轉(zhuǎn)速輪子周長 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?。如果直接選一個(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)把工況歸成四類來分別判斷。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刷因?yàn)闊o刷的換向是電子的切換只是改變換相順序機(jī)械上沒有額外損耗。低速大扭矩這一條要特別小心。有刷電機(jī)低速時(shí)散熱差長時(shí)間低速大電流會(huì)燒線圈無刷電機(jī)在六步換相下低速脈動(dòng)大需要靠減速箱或者FOC來改善。如果必須低速直驅(qū)無刷配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。我見過一個(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)順序過一遍基本不會(huì)漏項(xiàng)。判斷項(xiàng)偏向有刷偏向無刷年產(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)以內(nèi)一萬小時(shí)以上轉(zhuǎn)速需求一萬轉(zhuǎn)以內(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射頻敏感電路帶無線通信、高精度采樣開發(fā)資源無嵌入式人力有MCU與功率電子經(jīng)驗(yàn)這張表的使用方法是先看有沒有任何一項(xiàng)落在偏向無刷且屬于硬約束比如維護(hù)不可達(dá)、有潔凈要求有的話就直接定無刷剩下的成本問題想辦法優(yōu)化如果全部落在左列那有刷就夠了別為了參數(shù)好看硬上無刷。3. 參數(shù)怎么讀、怎么算別被標(biāo)稱值忽悠電機(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)系無刷電機(jī)參數(shù)表上最常見的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牛·米每安培。意思是每給1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伏也就是說這時(shí)候母線電壓如果只有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)算沒算對(duì)。三個(gè)電流值必須分開算混為一談就是災(zāi)難。堵轉(zhuǎn)電流是最壞情況下的電流等于母線電壓除以回路總電阻。有刷電機(jī)直接用萬用表量繞組兩端電阻12伏電源、量出來0.8歐堵轉(zhuǎn)電流就是15安。無刷電機(jī)要量任意兩相之間的線電阻因?yàn)榱綋Q相時(shí)電流總是走兩相串聯(lián)比如線電阻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)間允許通過的電流通常由線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。持續(xù)電流才是發(fā)熱的元兇。線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 # 母線電壓 V Kv 1000.0 # 無刷電機(jī)KV值 rpm/V R_line 0.6 # 兩相間線電阻 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)跑出來如果發(fā)現(xiàn)所需電流接近堵轉(zhuǎn)電流的七八成說明電機(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 母線電壓與調(diào)速范圍的取舍母線電壓這個(gè)參數(shù)新手習(xí)慣往高了選覺得電壓高就有勁。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12伏時(shí)最小電壓步進(jìn)是12/256 ≈ 47毫伏母線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伏母線需要18伏選24伏母線。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)與電角度無刷專用無刷電機(jī)參數(shù)里的極對(duì)數(shù)是競選型表時(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)。我見過一個(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)看起來簡單一個(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)電壓要高于母線需要電荷泵或自舉電容。小功率場合我會(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3安那是加了散熱焊盤、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)能感覺到明顯的頓挫頻率太高比如40千赫茲MOS管的開關(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覺上限附近噪聲基本聽不見開關(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)了再往上提頻率聽噪聲這樣排查問題更快。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跑回主板。EMC這塊我的血淚教訓(xùn)是不要等測試不過才整改布線階段就要做。電機(jī)線雙絞、遠(yuǎn)離信號(hào)線、長度盡量短、能貼地走就貼地走。有一次一個(gè)帶無線模塊的設(shè)備死活連不上查了兩天才發(fā)現(xiàn)是電機(jī)線跟天線饋線捆在一起走了一米多分開走線之后問題當(dāng)場消失。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)測我一般從死區(qū)時(shí)間的1.2倍開始試。軟啟動(dòng)直接給滿占空比啟動(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。自由停車是直接斷電靠摩擦慢慢停簡單但停不準(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比硬剎車舒服得多。4.4 有刷常見故障與處理電機(jī)不轉(zhuǎn)但驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱先量電機(jī)兩端有沒有電壓有電壓不轉(zhuǎn)就是電機(jī)卡死或者繞組斷路沒電壓就往上查驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)和PWM輸入。我遇到過一次是使能腳的上拉電阻虛焊量了半天以為是軟件問題。轉(zhuǎn)速上不去、帶載就掉速多半是電源功率不夠或者線徑太細(xì)導(dǎo)致壓降大。用萬用表量電機(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或者縮短線長。運(yùn)行一段時(shí)間后轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、有異響先看電刷。拆開看碳刷長度磨到原來的一半以下就該換了。同時(shí)清理換向器上的碳粉用無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。5. 無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)操無刷這塊的內(nèi)容能寫一本書我這里只挑實(shí)際項(xiàng)目里繞不開的部分講重點(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 有感還是無感霍爾與反電動(dòng)勢(shì)過零有感方案用三個(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)是要多三根線霍爾本身有溫漂和安裝誤差接線錯(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)。無感方案靠檢測懸空相的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)來推斷位置優(yōu)點(diǎn)是不用霍爾、成本低、線少缺點(diǎn)是零速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)為零無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、定位精度的場合一律用霍爾連續(xù)高速運(yùn)行、成本敏感、線纜受限的場合用無感。有些方案會(huì)做混合啟動(dòng)用霍爾高速切無感復(fù)雜度上升但兩頭的好處都能拿到。提示無感的反電動(dòng)勢(shì)過零檢測需要延遲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。算錯(cuò)這個(gè)角度是導(dǎo)致無感方案效率低、發(fā)熱大的常見原因。5.3 啟動(dòng)三段式預(yù)定位、開環(huán)、切閉環(huán)無感啟動(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%來給時(shí)間給200到500毫秒慣量越大時(shí)間越長。第二段是開環(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)候切換到過零檢測換相。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)開環(huán)時(shí)間。我一般按反電動(dòng)勢(shì)幅值到母線電壓的10%到15%作為切換閾值。調(diào)試這段的經(jīng)驗(yàn)是先把開環(huán)跑通再考慮閉環(huán)。很多人一上來就想調(diào)閉環(huán)結(jié)果分不清是開環(huán)沒配好還是切換出問題。做法是寫個(gè)測試模式讓電機(jī)在開環(huán)下固定頻率轉(zhuǎn)用示波器看三相波形是否對(duì)稱確認(rèn)沒問題再往下走。5.4 電調(diào)關(guān)鍵參數(shù)與調(diào)試順序無刷電調(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)避開聽覺敏感區(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)定位和開環(huán)階段用開環(huán)換相間隔從20毫秒逐步降到2毫秒影響加速曲線寧慢勿快閉環(huán)切換閾值反電動(dòng)勢(shì)達(dá)母線10%~15%太低換相不準(zhǔn)太高浪費(fèi)高速區(qū)過流保護(hù)閾值堵轉(zhuǎn)電流的80%硬件比較器響應(yīng)別只靠軟件過溫保護(hù)閾值MOS結(jié)溫的80%用NTC貼MOS附近測調(diào)試順序建議是先空載、再輕載、最后滿載?？蛰d階段確認(rèn)換相順序和轉(zhuǎn)向輕載階段調(diào)啟動(dòng)曲線滿載階段調(diào)限流和保護(hù)最后再回頭微調(diào)PID和濾波器參數(shù)。跳過任何一步都會(huì)在后面返工。5.5 無刷常見故障與處理上電就保護(hù)、電機(jī)不轉(zhuǎn)先斷開電機(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題或者接線錯(cuò)了。有一次我把三相線里的一根和霍爾線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)、原地來回晃典型的預(yù)定位時(shí)間不夠或者開環(huán)加速太快。把預(yù)定位時(shí)間加長一倍開環(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)過零檢測被開關(guān)噪聲淹沒了加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)能感覺到明顯的頓挫。原因是負(fù)載超過了當(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)致開關(guān)過程變慢、開關(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)場排查速查與幾條保命經(jīng)驗(yàn)調(diào)試現(xiàn)場最耗時(shí)間的不是寫代碼是定位問題。這一節(jié)把常見現(xiàn)象和對(duì)應(yīng)的排查路徑整理成表配合幾個(gè)測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、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、開環(huán)加速度轉(zhuǎn)速不穩(wěn)電刷磨損、換向器臟污過零檢測噪聲、霍爾信號(hào)抖動(dòng)異常發(fā)熱長期過載、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關(guān)噪聲、地線布局壽命偏短電刷質(zhì)量、環(huán)境粉塵軸承、散熱、母線電容老化6.2 儀器與測量方法示波器是必需品不是可選項(xiàng)?？慈嗖ㄐ斡萌ǖ劳瑫r(shí)抓正常的六步換相波形應(yīng)該是三段對(duì)稱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。電流測量優(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。測溫別用手摸用熱電偶貼在線圈和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。我吃過一次虧摸著溫溫的結(jié)果跑了兩小時(shí)炸管事后測殼溫只有70度但結(jié)溫已經(jīng)逼近極限了。轉(zhuǎn)速測量可以用光電傳感器測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)換算前面說過這個(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)試新板是我見過最貴的壞習(xí)慣之一。第三條換相表和霍爾接線一定要畫出來核對(duì)。不要憑記憶接線畫一張表把每個(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。第四條留出測試點(diǎn)和調(diào)試接口。板子上給三相、母線、柵極各留測試點(diǎn)留一路串口或者SWD。這些在畫板時(shí)只是幾個(gè)焊盤的成本調(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。廠商標(biāo)的額定扭矩通常是在該扭矩下可以長期運(yùn)行且溫升不超過某一標(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)稱的六成。我現(xiàn)在的做法是拿到樣機(jī)先做一輪溫升測試把實(shí)際可持續(xù)的扭矩標(biāo)出來然后再定控制參數(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)開環(huán)轉(zhuǎn)起來把三相波形抓下來存好作為正常狀態(tài)的基準(zhǔn)。后面出問題時(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。這個(gè)基準(zhǔn)波形比任何文檔都管用因?yàn)樗窃谀阕约旱陌遄印⒛阕约旱碾姍C(jī)上測出來的所有寄生參數(shù)和布線影響都在里面。