原標(biāo)題：基于STC單片機(jī)的SPWM無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 （六步PWM驅(qū)動(dòng)BLDC,FOC入門(mén)）（原理圖+PCB）

基于STC單片機(jī)的SPWM無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）因其高效、壽命長(zhǎng)和低噪音的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)工具和家用電器中。通過(guò)基于STC單片機(jī)的SPWM控制方法，本文設(shè)計(jì)了一款BLDC驅(qū)動(dòng)板，支持六步方波控制，同時(shí)為FOC（磁場(chǎng)定向控制）算法的拓展打下基礎(chǔ)。以下詳細(xì)介紹驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片型號(hào)及其功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可以分為硬件部分和軟件控制部分。硬件部分包括主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源管理模塊和保護(hù)電路。軟件部分則主要負(fù)責(zé)控制算法的實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，支持六步方波驅(qū)動(dòng)，同時(shí)為FOC算法預(yù)留擴(kuò)展接口。

驅(qū)動(dòng)板的核心組件主要包括以下幾個(gè)部分：主控單片機(jī)（STC系列單片機(jī)）、功率驅(qū)動(dòng)模塊（MOSFET和柵極驅(qū)動(dòng)芯片）、反饋模塊（霍爾傳感器或電流采樣電路）以及電源模塊（5V和12V電壓轉(zhuǎn)換電路）。

主控芯片及其作用

主控芯片是驅(qū)動(dòng)板的核心，負(fù)責(zé)信號(hào)處理、PWM輸出、狀態(tài)檢測(cè)和通信等功能。此次設(shè)計(jì)選擇了STC系列單片機(jī)，這類(lèi)芯片因其高性?xún)r(jià)比、豐富的外設(shè)資源和廣泛的應(yīng)用支持，非常適合BLDC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

STC8A8K64S4A12

STC8A8K64S4A12是一款基于8051架構(gòu)的增強(qiáng)型8位單片機(jī)，擁有豐富的外設(shè)接口和硬件資源，能夠勝任復(fù)雜的BLDC控制任務(wù)。

關(guān)鍵參數(shù)包括：最高35MHz主頻、64KB Flash程序存儲(chǔ)器、4KB RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、6個(gè)硬件PWM通道以及12位ADC模塊。其在設(shè)計(jì)中的作用包括產(chǎn)生SPWM信號(hào)、接收霍爾傳感器信號(hào)以實(shí)現(xiàn)換相邏輯、提供通信接口用于調(diào)試和參數(shù)調(diào)整，以及在擴(kuò)展FOC功能時(shí)完成Clark和Park變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

STC15W408AS

STC15W408AS是一款經(jīng)濟(jì)型單片機(jī)，適合低成本的BLDC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。其最高主頻為35MHz，提供8KB Flash程序存儲(chǔ)器和512B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具備4個(gè)硬件PWM通道和10位ADC模塊。該型號(hào)主要用于實(shí)現(xiàn)六步方波驅(qū)動(dòng)，支持基本的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)與調(diào)節(jié)功能，同時(shí)控制MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

STC12C5A60S2

STC12C5A60S2是STC系列較早期的一款單片機(jī)，資源豐富，適用于學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。其主要參數(shù)包括最高40MHz主頻、60KB Flash存儲(chǔ)器、1280B RAM以及2個(gè)硬件PWM通道和10位ADC模塊。該型號(hào)可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的BLDC控制算法，同時(shí)通過(guò)硬件定時(shí)器進(jìn)行PWM周期控制和死區(qū)調(diào)整。

硬件設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊采用IR2101或IR2184柵極驅(qū)動(dòng)芯片，以及IRF3205（低壓大電流）或IRF540N（通用型）功率MOSFET。模塊接收單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組的通斷控制。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊支持上下橋臂的死區(qū)保護(hù)功能，避免直通故障。

位置檢測(cè)模塊

位置檢測(cè)可以通過(guò)霍爾傳感器或反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)完成。常用霍爾傳感器型號(hào)包括A3144和SS41，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，反饋信號(hào)給單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)精確換相。反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)則無(wú)需額外傳感器，通過(guò)采樣繞組的電壓信號(hào)完成位置判斷。

電源模塊

電源模塊使用LM2596 DC-DC轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓穩(wěn)定地降壓至驅(qū)動(dòng)和控制所需的12V和5V電壓。12V用于為柵極驅(qū)動(dòng)芯片供電，5V則供主控芯片和霍爾傳感器使用。

電流采樣電路

電流采樣電路采用低阻值分流電阻（如0.01Ω）和LM358運(yùn)算放大器，用于檢測(cè)電機(jī)繞組電流，并提供閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)

SPWM信號(hào)生成

通過(guò)查表法或正弦函數(shù)計(jì)算得到PWM占空比，并利用硬件定時(shí)器輸出高頻PWM信號(hào)。SPWM頻率通常設(shè)置為15kHz以上，以減少電機(jī)噪聲。

信號(hào)生成流程包括初始化PWM模塊和定時(shí)器，讀取霍爾信號(hào)以確定電機(jī)位置，然后計(jì)算SPWM占空比并輸出。

六步方波驅(qū)動(dòng)

六步方波驅(qū)動(dòng)基于霍爾傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)換相邏輯，每次換相僅使一對(duì)繞組通電。其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于低成本場(chǎng)景。

FOC入門(mén)實(shí)現(xiàn)

FOC算法的關(guān)鍵步驟包括通過(guò)Clark變換將三相電流轉(zhuǎn)換為兩相直流信號(hào)，然后利用Park變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)電流的解耦控制。解耦后的電流用于生成高精度的SPWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高效、平穩(wěn)的電機(jī)控制。

原理圖與PCB設(shè)計(jì)

原理圖設(shè)計(jì)

原理圖分為主控單片機(jī)模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和保護(hù)電路模塊。在設(shè)計(jì)中，保證功率模塊布線(xiàn)盡量短且粗，增設(shè)去耦電容以減少電磁干擾。

PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)采用雙層板布局，頂層布置主控芯片和驅(qū)動(dòng)電路，底層布置電源電路和反饋模塊。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置測(cè)試點(diǎn)以方便調(diào)試，并通過(guò)增加散熱孔降低功率器件的工作溫度。

結(jié)語(yǔ)

基于STC單片機(jī)的SPWM無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)方案具有實(shí)現(xiàn)成本低、開(kāi)發(fā)靈活性高的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)支持六步PWM控制，并預(yù)留FOC算法拓展能力，為初學(xué)者和開(kāi)發(fā)者提供了良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。未來(lái)可以進(jìn)一步優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)與控制算法，以實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的電機(jī)控制系統(tǒng)。