如何使用Arduino微控制器和Hall-Effect位置传感器实现BLDC的控制

步骤1：准备

步骤2：工具和材料

工具

数字万用表（DMM）-如果您的DMM具有频率计示波器（最好具有至少2个通道）《

T8 Torx驱动程序（您需要其中之一来打开任何硬盘驱动器）。一个好的硬件商店就会有它们。

机器商店和Rapid Prototype Machine（这些工具非常有用，但是我有点机灵，我认为没有它们就可以完成该项目）。

材料

计算机硬盘驱动器上的BLDC电机

另一个硬盘驱动器上的磁环（电机的一半）。

硬盘驱动器上的几（3-6）个银盘

一秒钟小型电机（直流刷过OK）

橡皮筋或（最好是）皮带，用另一台电机转动BLDC

电子面包板

实心线22 AWG用于面包板连接

一个Arduino Duemilanove微控制器

三个120 k欧姆电阻

六个〜400欧姆电阻

线性或旋转电位计100 k欧姆

ST Microelectronics L6234三相电动机驱动器IC

两个100 uF电容器

一个10 nF电容器

一个220 nF电容器

一个1 uF电容器

一个100 uF电容器

三个整流二极管

一个2.5安培保险丝

一个保险丝座

3 Honeywell SS411A双极霍尔效应数字正弦波在传感器上

三个1 K电阻器

注意：Mike Anton已设计并正在销售一种产品，该产品将代替本使用说明中显示的电力电子和霍尔传感器电路（它使用反电动势感应控制）。规格和购买信息可在以下两个链接中找到：https://www.tindie.com/stores/manton/http://manton.wikidot.com/open:bldc-motor-driver

12 V爱好型铅酸电池

步骤3：了解BLDC控制

如果您要执行此项目，我建议您花一些时间彻底了解BLDC的工作原理和控制方法。在线有大量参考资料可供参考（有关一些建议，请参见下文）。但是，我确实提供了一些来自我的项目的图表和表格，这些图表和表格可以帮助您理解。

这里列出了我认为对理解该项目最重要的概念：

MOSFET晶体管

三相半桥

三相电动机的六步换向《脉冲宽度调制（PWM）

霍尔效应数字位置传感器

Microchip无刷直流电动机基本原理AVR443：ATMEL的基于传感器的三相无刷直流电动机控制

》 Microchip的无刷直流电动机控制轻松实现，带飞思卡尔霍尔传感器的三相BLDC电动机控制

一个很好的视频，展示了一个扫气式硬盘电动机，但作者似乎将电动机作为步进电动机运行，不作为BLDC4上L6234电动机驱动器IC上的更详细的参考资料

网页，包括数据表，应用笔记和购买信息。免费样品http://www.st.com/stonline/domains/buy/samples/index.htm

用于混合动力电动汽车应用的PM无刷电机驱动器的设计。这是我发现的唯一描述再生制动换向顺序的论文。

这篇论文《电动汽车的再生制动》很有用，我从中借鉴了一些数据，但我认为它错误地描述了再生的工作原理。

步骤4：电机

我使用打捞的磁盘驱动器电机完成了这个项目，因为它很容易实现，而且我喜欢学习BLDC的绳索的想法使用小型低压电动机进行控制，不会造成任何安全问题。另外，霍尔传感器的磁体的配置也非常简单，它使用了第二个电动机的磁环（转子）（请参见步骤4）。

如果您不想全部在安装和校准霍尔传感器时遇到麻烦（步骤5-7），我知道至少有一些CD/DVD驱动器电机内置了霍尔传感器。

要在电动机上提供一些旋转惯量并给它们一点点要承受的负载，我在电机上放了5个硬盘驱动器磁盘，轻轻地粘在一起，并用少许强力胶粘到了电机上（这使飞轮进入了我的原始项目）。

如果要卸下电机从硬盘驱动器上，您将需要一个T8梅花形螺丝刀来拧开外壳（通常在中心有一两个螺钉，这些螺钉隐藏在粘贴式标签的后面），以及用于将电动机固定到位的内部螺钉。您还需要卸下磁头读取器（音圈致动器），以便卸下存储磁盘才能到达电机。

此外，您还需要另一台相同的硬盘驱动器电动机，从中卸下转子（内部有一个磁铁环）。为了将电动机拉开，我用虎钳夹住电动机的转子（顶部），然后用两把螺丝起子分开180度，在定子（底部）上撬动。将虎钳固定在虎钳中而不变形不会那么容易。为此，您可能需要构建一组木制的V型块。

我在车床上的磁环上钻了一个孔，以便将其紧密地安装在电动机的顶部。如果您无法使用车床，则可以使用强力胶将倒转的转子固定到电动机上。

下面的照片2和3显示了我拉开的其中一个电动机的内部。在上半部分（转子）的内部有8极（用塑料包裹的磁铁）。在下半部分（定子）上有12个槽（绕组）。三相电动机的每一相都有4个串联的插槽。

某些HD电动机的底部有三个触点，每一相一个，还有一个是电动机的中心抽头（其中三个相遇）。在此项目中，不需要中央分接头，但在无传感器控制中，它可以派上用场（我希望这些天之一可以发布有关无传感器控制的说明）。如果您的电动机有四个触点，则可以用欧姆表识别相。电阻位于中心抽头和相位之间，是两相电阻的一半。

关于BLDC电动机的大多数文献都涉及梯形反电动势波形，但硬盘驱动器似乎具有看起来为正弦的反电动势（请参阅参考资料）。下图）。据我所知，虽然效率可能会有所降低，但使用方波PWM驱动正弦电动机效果很好。

与所有BLDC电动机一样，该电动机由三相半电动机驱动-晶体管桥（请参见下面的第二张照片）。我将ST Microelectronics（L6234）制造的IC用于电桥，也称为电机驱动器。 L6234的电气连接在步骤8中显示。下面的第三张照片显示了电动机驱动器和三个电动机相位的示意图。

为了使电动机顺时针运行，将按照以下顺序进行切换（第一个字母为上方的晶体管，第二个字母为下方的晶体管）：

第1步3 2 5 6 6顺时针：CB ，AB，AC，BC，BA，CA

逆时针方向：BC，BA，CA，CB，AB，AC

此6步序列需要360度“电度”，但对于这些电机，仅90物理度。因此，该序列每电动机旋转发生四次。看来这两个序列是相同的，但它们却不相同，因为对于6步序列中的每一步，通过相的电流对于CW而言是一个方向，而对于CCW而言是相反的方向。

您可以通过从电池或电源向任意两个电机相施加电压来亲自查看。如果施加电压，电机将向一个方向转动一点，然后停止。如果您可以按照上述顺序之一快速更改相电压，则可以手动旋转电动机。当电动机高速运行时，晶体管和微控制器非常迅速地完成所有这些切换，每秒每秒数百次。

另外，请注意，如果将电压施加到两相中，则电动机稍微移动然后停止。这是因为扭矩变为零。您可以在下面的第四张照片中看到这一点，该照片显示了一对电机相位的反电动势。这是一个正弦波。当波穿过x轴时，该相位提供的扭矩为零。在六步BLDC换向序列中，这永远不会发生。在特定相位上的扭矩变低之前，将电源切换到另一相组合。

步骤5：霍尔传感器机械设置

大型BLDC电机通常在电机内部装有霍尔传感器。如果您有这样的电动机，则可以跳过此步骤。另外，我了解到至少有一些CD/DVD驱动器电动机具有内置霍尔传感器。

三个霍尔传感器用于在电动机旋转时进行位置检测，因此换向发生在正确的瞬间。我的高清电机的运行速度高达9000 RPM（150 Hz）。由于每转有24个换向，因此以9000 RPM的换向每280微秒发生一次。 Arduino微控制器以16 MHz运行，因此每个时钟周期为0.06微秒。我不知道执行换向需要多少个时钟周期，但是即使花费100个时钟，每个换向也需要5微秒。

HD电机没有霍尔传感器，因此有必要将其安装到电机的外部。传感器需要相对于电动机旋转进行固定，并暴露于一系列随电动机旋转而变化的磁极。我的解决方案是从同一台电动机上取下磁环，然后将其倒置安装在要控制的电动机上。将三个霍尔传感器安装在此磁环的正上方，彼此在电机轴上相距30度（电动机旋转120度）。

我的霍尔传感器安装架由一个简单的支架组成，该支架由三个铝制部件组成我用快速原型机加工了三个塑料零件。如果您无权使用这些工具，那么寻找另一种制作支架的方法应该不会太困难。为霍尔传感器创建支架将更具挑战性。这可能是一种方法：

1。找到一个适当大小的塑料盘，您可以在其上小心地为霍尔传感器加环氧树脂。

2。在纸张上打印出一个模板，该模板的圆与磁环的半径相同，并且三个标记之间的距离为15度《3》。将模板粘到磁盘上，然后以模板为指导小心地将霍尔传感器涂在适当的位置。

步骤6：霍尔传感器电路

现在，您已将霍尔传感器正确安装在电动机上，将它们分别与下面所示的电路连接，并使用DMM或示波器对其进行测试，以确保输出与输出信号一样高和低。电机旋转。我使用Arduino的5V输出以5V运行这些传感器。

步骤7：校准霍尔传感器

霍尔传感器是数字设备，它们根据检测到的是南磁极还是北磁极而输出高电平或低电平（1或0）。由于它们的间隔为15度，并且磁体在其下方旋转，每45度改变一次极性，所以这三个传感器永远不会同时处于高电平或低电平状态。随着电机旋转，传感器输出以六步模式变化，如下表所示。传感器必须与电动机的运动对齐，以便三个传感器之一精确地在电动机换向位置改变。在这种情况下，第一霍尔传感器（H1）的上升沿应与相位C（高）和B（低）的组合的开启相一致。这相当于在桥式电路中将晶体管3和5导通。我用示波器将传感器与磁体对准。我必须使用示波器的三个通道来执行此操作。我通过连接到第二个电动机的皮带旋转了电动机，并测量了两个相组合（A和B，A和C）之间的反电动势，这是下图中的两个正弦波。然后，在示波器的通道3上查看来自霍尔传感器2之一的信号。旋转霍尔传感器底座，直到霍尔传感器的上升沿与换向应发生的点完全对准为止（请参见下图）。我现在意识到，只需两个通道即可进行相同的校准。如果使用相位组合B-C的BEMF，则H2的上升沿将与B-C曲线的零交叉重合。

此处应进行换向的原因是要始终保持尽可能高的电动机转矩。反电动势与扭矩成正比，您会注意到，每次换向都会在反电动势越过下一相曲线以下时发生。因此，实际扭矩由每个相组合的最高部分组成。

如果您无法使用示波器，这是我进行对准的一个想法。对于任何想了解BLDC电机工作原理的人来说，这实际上都是一个有趣的练习。如果将电动机A相（正相）和B相（负相）连接到电源并打开电源，则电动机将旋转一小段然后停止。然后，如果将负极电源线移至C相并打开电源，则电动机将转动一点然后停止。序列的下一部分将是将正极引线移至B相，依此类推。执行此操作时，电动机将始终在转矩为零的点处停止，该点在图形上与图形与x轴交叉的位置之一相对应。注意，第三相组合的零对应于前两个组合的换向位置。因此，B-C组合的零扭矩位置是您要定位H2上升沿的位置。用细标记或锋利的刀片标记该位置，然后使用DMM调整霍尔传感器安装座，直到H2的输出准确地在该标记上变高。即使您在此校准中稍有偏离，电动机也应能正常工作。

步骤8：电力电子设备

三个电机相将从L6234三相电动机驱动器。我发现它是经受时间考验的好产品。使用电力电子设备，有很多方法可以无意间炸炸您的组件，而我不是电气工程师，所以我并不总是完全了解发生了什么。在我的学校项目中，我们还用6个MOSFET晶体管和6个二极管制成了自己的三相半桥。我们将它与另一个驱动程序（Intersil的HIP4086）一起使用，但是在设置时遇到了很多问题-我们烧坏了一堆晶体管和芯片。

我运行L6234（从而运行了电动机）在12V

L6234具有一组不寻常的输入来控制6晶体管半桥。而不是为每个晶体管提供一个输入，而是为三相的每一个提供一个使能（EN）输入，然后通过另一个输入（IN）选择该相中的哪个晶体管导通（上或下）。例如，要导通晶体管1（上部）和6（下部），EN1和EN3都为高电平（EN2为低电平以保持该相截止），IN1为高电平，IN3为低电平。

尽管L6234应用笔记建议将用于控制电机速度的PWM应用于IN引脚，但我还是决定在EN引脚上使用它，因为认为将一个相位的上，下晶体管交替导通将是“怪异的”。实际上，同时打开两个相的低晶体管似乎没有错，因为它们处于相同的电势，因此任何一个都不会流过电流。用我的方法，在PWM频率上交替启用和禁用高相，而在整个换向期间保持低相导通。

下面是电机驱动器的示意图，我已经在其中添加了与Arduino开发板的引脚连接。我还在电池正极和电路之间加了一个2.5 Amp的保险丝，在电源和接地之间加了一个100 uF的电容，以减少再生电流的纹波。该图有点小，因此请查看L6234的文档以获取较大版本。

注意：Mike Anton为L6234制作了PCB，（我相信）可以代替

http://manton.wikidot.com/open:bldc-motor-driver

https://www.tindie.com/stores/manton/

第9步：再生制动

因为到目前为止我还没有找到很多有关三相电动机再生制动的信息，所以我将描述我对它的工作原理的理解。请注意，我不是电气工程师，因此请对我的解释进行任何更正。

在进行电动机驱动时，控制系统以使转矩最大的方式将电流发送到电动机的三个相中。在再生制动中，控制系统也会使转矩最大化，但这一次是负转矩，这会导致电动机减速，同时将电流传回电池。

我使用的再生制动方法来了摘自美国政府Oakridge国家实验室的论文。这个实验室对汽车的电动机做了很多研究。下图来自另一篇论文，有助于说明其工作原理（但是，我认为第二篇论文中的解释部分不正确）。请记住，电动机相位中的BEMF电压会随着电动机旋转而上升和下降。在该图中，显示了一个瞬间，其中B相的BEMF高，而A相的低。在这种情况下，电流有可能从B流到A。

再生制动的关键是低端晶体管正在快速导通和关断（PWM每秒切换数千次）。当高端晶体管开关为OFF时；当低晶体管导通时，电流如第一幅图所示流动。用电力电子学的术语来说，电路就像一个称为升压转换器的设备，能量存储在电机相中（维基百科上有一篇很好的文章解释了升压转换器的工作原理）。当低端晶体管截止时，该能量被释放，但电压更高，电流瞬间流过每个晶体管旁边的“反激”二极管，然后流回电池。二极管可防止电流从电池流向电动机。同时，沿该方向（与电动机相反）的电流与磁铁环相互作用，产生负转矩，使电动机减速。低侧晶体管通过PWM进行开关，PWM的占空比控制制动量。

在进行电动机驱动时，电动机的换向在适当的时候从一个相组合切换到下一个相组合，以保持较高的转矩。尽可能。再生制动的换向非常相似，因为一定的切换模式可以使电动机产生最大可能的负转矩。

如果您在第1步中观看视频，则可以看到再生制动有效，但是不能很好地工作。我认为主要原因是我使用的硬盘驱动器马达是一个低扭矩的马达，因此除了最高速度外，它不会产生太多的BEMF。在较低的速度下，几乎没有再生制动。另外，我的系统在相对较低的电压（12 V）下运行，并且由于通过反激二极管的每条路径都会使电压下降几伏，因此效率也大大降低了。我使用普通的整流二极管，如果使用一些具有较低压降的特殊二极管，则可能会获得更好的性能。

步骤10：与Arduino的连接

下面是arduino上的输入和输出列表。还包括我的电路板的图和照片。

2-霍尔1数字输入-还将120 K电阻连接到gnd

3-霍尔2数字输入-也将120 K电阻器连接到gnd

4-霍尔3个数字输入-同样是120 K电阻至接地5-IN 1数字输出与400欧姆电阻串联

6-IN 2数字输出与400欧姆电阻

7串联-IN 3数字输出与400欧姆电阻串联的电阻

9-EN 1与400欧姆电阻串联的数字输出

10-EN 2与400欧姆电阻串联的数字输出

11-EN 3与400欧姆电阻串联的数字输出

100 k欧姆电位计连接到+ 5V，两端接地，中间为模拟引脚0。该电位器用于控制电动机速度和制动量。

+ 5V电源也用于运行霍尔传感器（请参见步骤5）。

步骤11 ：用于Arduino的控制软件

下面是我为Ardjuino编写的整个程序，并带有注释：

/*

* BLDC_congroller 3.1。 1

* by David Glaser

*

* 3.x系列程序适用于ST L6234三相电动机驱动器IC

*

*顺时针运行磁盘驱动器电动机

*带再生制动

*电机速度和制动由单个电位器控制

*电机位置由三个霍尔效应传感器确定

* Arduino接收来自3个霍尔传感器的输出（引脚2，3 ，4）*并将它们的组合转换为6个不同的换相步长

*在引脚9，10，11上以32 kHz的PWM输出（分别对应于EN 1，2，3

* 3 DO引脚5，6，7（IN 1，2，3）

*模拟输入0连接到电位计以更改PWM占空比并更改

*电动和再生制动。

* 0-499：制动

* 500-523：滑行

* 524-1023：电动

*注释了很多行，这些行用于

*将各种值打印到串行连接。

*/

int HallState1;//三个霍尔传感器（3，2，1）的变量

int HallState2;

int HallState3;

int HallVal = 1;//所有3个霍尔传感器的二进制值

int mSpeed = 0;//电动机的转速等级

int bSpeed = 0;//制动水平

int油门= 0;//此变量与模拟输入一起使用，以测量油门电位器的位置。

void setup（）{

pinMode（2，INPUT）;//Hall 1

pinMode（3，INPUT）;//Hall 2

pinMode（4，INPUT）;//Hall 3

//L6234电动机驱动器的输出

pinMode（5，OUTPUT）;//IN 1

pinMode（6，OUTPUT）;//IN 2

pinMode（7，OUTPUT）;//IN 3

pinMode（9，OUTPUT）;//EN 1

pinMode（10，OUTPUT）;//EN 2

pinMode（11，OUTPUT）;//EN 3

//Serial.begin（9600）;//如果要使用串行连接，请取消注释此行

//还要在程序末尾取消注释Serial.flush命令。

/*在引脚9，10和11

上设置PWM频率//一部分代码来自

http://usethearduino.blogspot.com/2008/11/changing-pwm-frequency-on-arduino.html

*/

//为引脚9，10设置PWM至32 kHz

//首先清除所有三个预分频器位：

int prescalerVal = 0x07;//创建一个名为prescalerVal的变量，并将其设置为等于二进制数“ 00000111”数字“ 00000111”数字“ 00000111”

TCCR1B＆=〜prescalerVal;//并用二进制数“ 11111000”将TCCR0B中的值与

//现在设置适当的预分频器位：

int prescalerVal2 = 1;//将prescalerVal设置为等于二进制数“ 00000001”

TCCR1B | = prescalerVal2;//或用二进制数“ 00000001”对TCCR0B中的值进行操作

//将引脚3，11设置为32 kHz至32 kHz（此程序仅使用引脚11）

//首先清除所有三个预分频器位：

TCCR2B＆=〜prescalerVal;//与TCCR0B中的值一起使用二进制数“ 11111000”

//现在设置适当的预分频器位：

TCCR2B | = prescalerVal2;//或用二进制数“ 00000001”对TCCR0B中的值进行////首先清除所有三个预分频器位：

}

//PRGROM的主循环

void loop（）{

//time = millis（）;

//打印自程序启动以来的时间

//Serial.println（time）;

//Serial.print（“ ”）;

节气门= AnalogRead（0）;//油门电位器的值

mSpeed = map（throttle，512，1023，0，255）;//电机映射到电位计的上半部

bSpeed = map（throttle，0，511，255，0）;//锅底一半的再生制动

//mSpeed = 100;//用于调试

HallState1 = digitalRead（2）;//从1号大厅读取输入值

HallState2 = digitalRead（3）;//从2号大厅读取输入值

HallState3 = digitalRead（4）;//从3号大厅读取输入值

//digitalWrite（8，HallState1）;//当对应的传感器为高电平时LED点亮-最初用于调试

//digitalWrite（9，HallState2）;

//digitalWrite（10，HallState3）;

HallVal =（HallState1） +（2 * HallState2）+（4 * HallState3）;//计算3个霍尔传感器的二进制值

/*Serial.print（“H 1：“）;//用于调试

Serial.println（HallState1）;

Serial.print（“ H 2：”）;

Serial.println（HallState2）;

Serial.print（“ H 3： “）;

Serial.println（HallState3）;

Serial.println（”“）;

*/

//Serial.println（mSpeed）;

//Serial.println（HallVal）;

//Serial.print（” “）;

//监视晶体管输出

//delay（1000）;

/* T1 = digitalRead（2）;

//T1 =〜T1;

T2 = digitalRead（4）;

//T2 =〜T2;

T3 = digitalRead（5 ）;

//T3 =〜T3;

Serial.print（T1）;

Serial.print（“ t”）;

Serial.print（T2）;

串行。 print（“ t”）;

Serial.print（T3）;

Serial.print（“ n”）;

Serial.print（“ n”）;

Serial.print （digitalRead（3））;

Serial.print（“ t”）;

Serial.print（digitalRead（9））;

Serial.print（“ t”）;

串行.println（digitalRead（10））;

Serial.print（“ n”）;

Serial.print（“ n”）;

//延迟（500）;

*/

//电机换向

//每个二进制数都有一个对应于打开的不同晶体管的情况

//位数学用于更改输出的值

//对于本教程在Arduino的位上：http://www.arduino.cc/playground/Code/BitMath

//PORTD包含L6234驱动器上的IN引脚的输出

//，该输出确定是高位还是低位使用各相的晶体管

//EN引脚的输出由Ard控制uino命令AnalogWrite，其中

//设置PWM的占空比（0 = OFF，255 = ON或由电位计控制的油门值）。

if（throttle》 511）{

开关（ HallVal）

{

案例3：

//PORTD = B011xxx00;//引脚0-7 xxx的所需输出是霍尔输入，不应更改。

PORTD＆= B00011111;

PORTD | = B01100000;//

AnalogWrite（9，mSpeed）;//A相上的PWM（高端晶体管）

AnalogWrite（10，0）;//关闭B相（占空比= 0）

AnalogWrite（11，255）;//C相导通-占空比= 100％（低压晶体管）

断开;

情况1：

//PORTD = B001xxx00;//引脚0-7

的所需输出PORTD＆= B00011111;//

PORTD | = B00100000;//

AnalogWrite（9，mSpeed）;//A相上的PWM（高端晶体管）

AnalogWrite（10，255）;//（低端晶体管）上的B相

analogWrite（11，0）;//关闭阶段B（占空比= 0）

中断;

情况5：

//PORTD = B101xxx00;//引脚0-7

的所需输出PORTD＆= B00011111;//

PORTD | = B10100000;

模拟写（9，0）;

模拟写（10，255）;

模拟写（11，mSpeed）;

中断；

情况4：

//PORTD = B100xxx00;//引脚0-7所需的输出

PORTD＆= B00011111;

PORTD | = B10000000;//

模拟写（9，255）;

模拟写（10，0）;

模拟写（11，mSpeed）;

中断;

情况6：

//PORTD = B110xxx00;//引脚0-7所需的输出

PORTD＆= B00011111;

PORTD = B11000000;
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