kabuterimon

~ Sensorless BLDC Control ~

项目说明

• 
• 代码仓库: https://github.com/dokee39/kabuterimon
• 立创硬件开源平台: 四合一电调
  • 四合一无刷电调分为功率板和控制板两部分, 可同时驱动四个无刷电机. 功率板采用了大面积的铜箔与阻焊开窗, 具有很强的过流能力与散热能力, 借助桨叶散热的情况下可持续通过约 ?A 的电流. 为方便调试, 控制板设计为四块小板组成的叠板, 通过插接件与功率板连接, 实现控制代码中的 PWM 输入, 过零检测, 六步换相等功能
• 基于沁恒青稞 RISC-V 通用系列产品 CH32V203F8U6 的无刷电子调速器 (ESC)
• 2024 年全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛
  • 芯片应用赛道
  • 南京沁恒微电子股份有限公司
  • 无刷电机控制及应用

代码结构

本作品中无刷电调模块配套软件实现已在 github 开源, 适用于基于沁恒青稞 RISC-V 通用系列产品的无刷电子调速器 (ESC).

项目主控使用 CH32V203F8U6, 工具链为 mounriver-studio-toolchain, 使用 Makefile 进行项目构建, 使用 openocd-wch-riscv 与 WCH-LinkE 调试器进行代码烧录与调试.

该项目实现了无刷电子调速器的基本功能, 项目代码精简, 性能可靠, 具有高可读性, 高可维护性等特点.

代码仓库的结构如下:

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├── App        // 应用层
│   ├── bldc_callback.c   // BLDC 涉及到的中断回调函数
│   ├── bldc_ctrl.c       // 模式切换与控制值设置的轮询任务
│   ├── bldc_mos_ctrl.c   // MOS 管控制
│   ├── bldc_tim_cnt.c    // 定时器控制
│   ├── bldc_zero_cross.c // 过零检测
│   ├── led_task.c
│   └── inc
│       └── ...
├── Components // 组件
│   ├── support    // 常用数学工具
│   │   ├── user_lib.c
│   │   └── inc
│   │       └── ...
│   └── system     // 基于侵入式链表实现的时间片任务轮询
│       ├── list.c
│       ├── timeslice_task.c
│       └── inc
│           └── ...
├── Core       // 初始化与中断回调
│   ├── ch32v20x_it.c
│   ├── main.c
│   ├── system_ch32v20x.c
│   └── inc
│       ├── ch32v20x_conf.h
│       ├── ch32v20x_it.h
│       ├── main.h
│       └── system_ch32v20x.h
├── Driver     // 驱动
│   ├── CMSIS
│   │   └── ...
│   └── Peripheral
│       └── ...
├── compile_commands.json
├── Link.ld
├── Makefile
├── README.md
└── startup_ch32v20x_D6.s

本项目代码主要功能实现在 App 文件夹中, 包括 MOS 管控制, 定时器控制, 过零检测, 输入捕获等. Components/system 文件夹中实现了一个基于侵入式链表的时间片任务轮询框架, 相比于 FreeRTOS 等实时操作系统, 该框架具有更为轻量化, 适用于对实时性要求较高的和任务较少的场合. 在本项目中只有两个任务: LED 控制任务 led_task 和无刷电机控制任务 bldc_ctrl_task, 可以根据需要添加其他任务.

在 main() 函数中完成全部外设初始化与任务初始化后, 开启中断, 每 100μs 执行一次控制任务 bldc_ctrl_task. 在该任务中, 首先判断与设置当前状态, 根据不同状态执行电机制动或更新输出 PWM 的占空比等. 此外, 还需要在相应的中断中执行过零点, 换相, 更新 PWM 输入的回调函数, 具体代码参考 bldc_callback.c. 项目使用到的中断有如下几个:

• SysTick_Handler(): 时间片任务轮询使用
• TIM2_IRQHandler(): PWM 输入使用
• TIM3_IRQHandler(): 超时换相与滞后换相使用
• EXTI2_IRQHandler(): 过零检测使用

下面简要介绍相关功能的实现方法:

• 油门 PWM 信号检测: 定时器输入捕获
• 过零检测: 采用虚拟中性点比较器方案, 其中比较器使用了 CH32 系列自带的片上外设, 将比较器的输出接到 PA2 上, 使用外部中断信号作为过零点信号, 具体代码参考 bldc_zero_cross.c
• 滞后换相: 通常换相点滞后过零点 30°, 因此需要滞后换相, 在每次换相时开启定时器中断, 在过零点时记录定时器计数值, 并进行滤波后得到换相时间 (ctrl.step_cnt), 再次开启定时器延时相应的时间进行换相, 具体代码参考 bldc_tim_cnt.c
• 六步换相: 根据 MOS 管状态的不同可将相分为三种:
  • 上臂导通相: 输出互补的 PWM 波, 上管导通时相当于电源的正极, 当下管导通时制动, 提供回流路径, 防止感应过电压
  • 下臂导通相: 上管闭, 下管开, 相当于电源的负极
  • 浮空相: 上下管均关闭, 通过检测浮空相上电压的来检测感应电动势过零点 六步换相法按一定的顺序改变 MOS 管的状态来换相, 在本项目中, 使用了 offset_of() 宏与 six_step 数组来避免各处在换相时大量的 switch case, 精简了代码, 实现代码的高复用性, 具体代码参考 bldc_mos_ctrl.c
• 堵转检测: 当换相超时或换相失败时会进行计数, 当超过一定次数则视为堵转
• 电压补偿: 通过片上 ADC 采样采集母线上的电压, 对占空比进行补偿
• 电机起动: 电机起动时首先定位, 将转子对齐到某一相, 随后进行拖动, 拖动时固定占空比为最小值, 换相的时间间隔将随每次过零检测时间记录而自动减小, 当连续成功换相超过一定次数时, 即可认为成功起动, 随即切入闭环, 具体代码参考 bldc_ctrl.c

外设相关的宏定义在 main.h 文件中, 电机控制相关的宏定义在 bldc_ctrl.h 文件中, 以下是电机控制相关的宏定义:

#define BLDC_DIR                   CW              // 转动方向
#define BLDC_SPEED_MODE            SPEED_OPEN_LOOP // 速度模式

#define BLDC_DUTY_MIN              (200)  // 占空比最小值
#define BLDC_DUTY_MAX              (2000) // 占空比最大值
#define BLDC_DUTY_INC_MIN          (-100) // 占空比最大减小值
#define BLDC_DUTY_INC_MAX          (100)  // 占空比最大增加值

#define BLDC_CHANGE_PHASE_NUM_FAIL (500)  // 判定堵转的换相失败计数值
#define BLDC_CHANGE_PHASE_NUM_DRAG (50)   // 判定拖动成功的换相成功计数值

#define BLDC_STEP_CNT_MIN_ADV      24     // 换向时间小于该比率 (step_cnt / 24) 判定还未换向, 防止电压抖动

#define BLDC_TICK_ALIGNMEN         US_TO_TICK(100000) // 定位对齐时间
#define BLDC_STEP_CNT_DRAG         US_TO_CNT(200)     // 拖动换相时间
#define BLDC_STEP_CNT_MAX          US_TO_CNT(10000)   // 换相最大时间
#if BLDC_STEP_CNT_MAX > 65535
#error BLDC_STEP_CNT_MAX > 65535
#endif

电机控制相关的变量由 ctrl 结构体统一管理, 其类型声明如下:

typedef struct bldc_ctrl_ {
    TIM_TypeDef *hTIM_pwm;         // 外设
    TIM_TypeDef *hTIM_cnt;
    TIM_TypeDef *hTIM_input;

    uint16_t GPIO_Pin_EXTI;

    bldc_dir_e dir;                 // 电机方向
    bldc_ctrl_status_e status;      // 电机状态
    bldc_ctrl_status_e status_prev; // 上一次的电机状态

    ramp_int32_t duty;              // 占空比控制值, 使用斜波限制其最值与变化值

    int8_t step;                    // 六步换相的步
    uint32_t change_phase_ok_num;   // 成功换向计数
    uint32_t change_phase_fail_num; // 换向失败计数

    uint32_t step_cnt;              // 换相时间计数值
    uint32_t alignment_cnt;         // 对齐时间计数值

    bldc_speed_mode_t mode;         // 速度模式, 开环或闭环
    float speed;
    float speed_set;
} bldc_ctrl_t;

电机状态变量的枚举声明如下:

typedef enum {
    IDLE = 0,    // 空闲
    ALIGNMENT,   // 定位对齐
    DRAG,        // 拖动
    CLOSED_LOOP, // 闭环转动
    STALL,       // 堵转
} bldc_ctrl_status_e;

代码主要执行逻辑见下面的流程图: