基于CW32单片机的手电钻驱动板设计

一、项目介绍

前言

手电钻是一种常见的便携式电动工具，它由一个电动马达和一个可充电电池组成。这个电动马达通过传递旋转动力给机头上的钻头，从而实现钻孔、螺丝拧紧、切割或打磨等任务。一般来说，手电钻通常有这几个重要的部件：

（1）电动马达：它是手电钻的核心部件，负责产生动力并驱动钻头旋转。不同型号的手电钻功率不同。高功率的电动马达可以提供更大的扭矩和更高的转速，适用于处理坚硬材料或需要更快速度的工作。

（2）钻头：钻头是安装在手电钻机头上的可更换配件，用于进行钻孔或切割操作。钻头的尺寸和类型根据不同的工作需求而变化，例如木材钻头、金属钻头、混凝土钻头等。一些手电钻还可以配备其他类型的机头，如螺丝刀头、砂轮切割头等。

（3）电池：手电钻通常使用可充电电池供电，这样可以使其更加便携和灵活。电池容量的大小决定了工作时间的长短，较大容量的电池可以提供更长时间的使用。一些手电钻还支持快速充电功能，在短时间内充满电池以提高工作效率。

手柄和握把：手电钻通常具有一个手柄和一个握把，使操作更加稳定和舒适。手柄是保持平衡和稳定的主要手部支撑，而握把则用于按下触发器按钮和控制手电钻的方向。

（4）手电钻的设计和功能使其成为许多家庭维修、装饰和建筑工作中不可或缺的工具。它的便携性、灵活性和易于使用使得用户可以在各种材料上进行精确的钻孔和切割操作。

2.CW32手电钻驱动板介绍

1.2.1 简介

在本项目中，我们使用CW32手电钻驱动板驱动手电钻的无刷电机，电池使用18V电池组。建议功率100~200W；该驱动板具有欠压保护、过压保护、过流保护、堵转保护、电量检测、正反转切换，刹车等功能。可广泛应用于各类无刷电机的控制。

1.2.2 项目组成

（1）CW32主控芯片：

控制器的选择对于整个项目来说特别重要。好的控制器能产生事半功倍的效果，这是整个项目的大脑，它负责控制电机的运行和参数调节。而CW32主控芯片的高性能和低功耗的特点，完全能胜任整个项目的要求。

（2）无刷电机：

无刷电机是项目的核心部分，相比传统的有刷直流电机，它寿命更长、稳定性更好、效率更高，能产生的功率更大。

（3）硬件电路：

包含控制电路，电流采集电路，母线电压采集电路，反电动势采集电路，电源电路。

（4）软件编写：

包含电机驱动代码，高压，低压保护。电流保护，速度异常保护，空载保护、电量检测、正反转切换，刹车等。

二、电路设计说明

CW32手电钻驱动板硬件设计包含3个部分：无刷驱动电路，电源控制电路，单片机及外设。

2.1 无刷驱动部分

无刷电机的驱动又分为反电动势检测、电流采集、电源电压采集，和MOS驱动电路。

2.1.1 反电动势检测

根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，转子旋转的时候会在定子绕组中产生感应电势，该感应电势的方向与绕组的电压相反，极性与励磁电压相反，故一般称为反电动势或反电势。

本次使用的反电动势采样电路如下，一段接电机的三个相线，另外一端接单片机的三个ADC输入引脚，中间使用电阻对反电动势的电压进行分压。

2.1.2 电源电压采集

在无刷电机运转过程中，需要在每个控制周期将母线电压与悬空相的端电压进行比较，从而获得反电动势过零点，在检测到反电动势过零之后，延时30°电角度即可进行换相操作。在PWM的关断时间内采集时，此时的理论的中性点电压为0V；在PWM的开通时间内采集时，此时理论的母线电压为电源电压的一半。

由于在TON时刻采样时需要母线电压的一半与反电动势进行比较，以确定零点的位置，所以在电路设计中，我们将直接将电源电压采集电路的分压电阻设置为200k和5.1k，为上述的反电动势采集电路的分压比的二分之一，这样ADC采集出来的值就不再需要多余的运算，减少了MCU的负担

2.1.3 电流采集

本项目中使用运放对采样电阻上的电压进行放大，偏置电压为1V左右，放大倍率为11倍。

2.1.4 MOS驱动电路

本项目中栅极MOS的驱动芯片使用的是FD6288。

FD6288T&Q 是一款集成了三个独立的半桥栅极驱动集成电路芯片，专为高压、高速驱动 MOSFET 设计，可在高达+250V 电压下工作。

FD6288T&Q 内置 VCC/VBS 欠压（UVLO）保护功能，防止功率管在过低的电压下工作。FD6288T&Q 内置直通防止和死区时间，防止被驱动的高低侧 MOSFET 直通，有效保护功率器件。

FD6288T&Q 内置输入信号滤波，防止输入噪声干扰。

2.2 电源控制电路

2.2.1 上电逻辑

当手电钻上的滑块按下时，上图中的NO_4和NO_5会连在一起，VIN将通过二极管和限流电阻流经三极管的基极，最后返回电源负极。

Q3三极管基极正偏，三极管导通。

Q1三极管基极接地，三极管导通，

VIN经过稳压二极管后电压降为11.5V左右

经过一个LDO，11.5V的电压被稳到了5V，用于给单片机供电。

当单片机得电后，会将ON-OFF_CONTROL引脚拉高，使Q3三极管一直处于开通状态，整个电源部分完成自锁。

2.3 单片机及外设

本项目使用的是CW32F030系列的MCU，其采用先进的处理器架构和高频率运行的CPU，具备较高的计算能力和响应速度。它可以处理复杂的算法和任务，并且在实时性要求较高的应用中有良好的性能表现。并且CW32通过优化的电源管理技术和低功耗设计，可以在工作时保持较低的功耗。CW32是一种广泛应用的单片机，具有庞大的开发社区和资源支持。开发者能够方便地获取到丰富的官方文档、软件开发工具和例程等，以及来自其他开发者的经验分享和技术支持。

2.3.1 CW32单片机核心系统

因为本项目不需要用到高精度时钟和低速晶振进行长时间计时，因此则省略这部分电路。

2.3.2 指示灯

在电路板上，有三颗LED用于指示当前电池电量。三颗LED与MCU的连接均为灌电流模式

2.4 PCB实物图

三、程序编写说明

直流无刷电机由于定子绕组的反电动势与电机的转速成正比，所以电机在静止时反电动势为零或低速时反电动势很小，此时无法根据反电动势信号确定转子磁极的位置。因此，反电动势法需要采用特殊启动技术，从静止开始加速，直至转速足够大。通过反电势能检测到过零时，再切换至直流无刷电机运行状态。这个过程称为“三段式”启动，主要包括转子预定位、加速和运行状态切换三个阶段。这样既可以使电机转向可控，又可以保证电机达到一定转速后再进行切换，保证了启动的可靠性。

电机转子预定位

若要保证直流无刷电机能够正常启动，首先要确定转子在静止时的位置。

在小型轻载条件下，对于具有梯形反电势波形的直流无刷电机来说，一般采用磁制动转子定位方式。系统启动时，任意给定一组触发脉冲，在气隙中形成一个幅值恒定、方向不变的磁通。只要保证其幅值足够大，那么这一磁通就能在一定时间内将电机转子强行定位在这个方向上。

在应用中，可以在任意一组绕组上通电一定时间，其中预定位的PWM占空比和预定位时间的长短设定值可由具体电机特性和负载决定，在实际应用中调试而得。

在预定位成功后，转子在启动前可达到预定的位置，为电机启动做好准备。

电机的外同步加速

确定了电机转子的初始位置后，由于此时定子绕组中的反电动势仍为零，所以须人为改变电机的外施电压和换相信号，使电机由静止逐步加速运动。这一过程称为外同步加速。对于不同的外施电压调整方法和换相信号调整方法，外同步加速可划分为三类：

换相信号频率不变，逐步增大外施电压使电机加速，称为恒频升压法。

保持外施电压不变，逐渐增高换相信号的频率，使电机逐步加速，称为恒压升频法。

在逐步增大外施电压的同时，增高换相的频率，称为升频升压法。

各个方法都有其优点和缺点。如升频升压法是人为地给电机施加一个由低频到高频不断加速的他控同步切换信号，而且电压也在不断地增加。通过调整电机换相频率，即可调整电机启动的速度。调整方法比较简单。但是这个过程较难实现。切换信号的频率的选择要根据电机的极对数和其他参数来确定。太低，电机无法加速；太高，电机转速达不到，会有噪声甚至无法启动，算法比较困难。

无论哪种方法，该过程都是在未检测到反电动势信号时进行。因此对于控制系统来说此段电机控制是盲区。参数在调试好的时候，可以快速切换至正常运行状态；而参数不理想时，电流可能不稳甚至电机会抖动。因此，在应用中，应根据电机及负载特性设定合理的升速曲线，并在尽可能短的时间内完成切换。

电机运行状态的转换

当电机通过外同步加速到一定的转速，反电势信号可以准确检测时，即可由外同步向自同步切换。可以通过试验观察反电势信号能够被准确检测的转速。在进行切换有两种方法：一种是测速模块可以测出电机的转速，当达到这一转速时即可进行切换；另一种，通过试验检测出达到预定切换转速的时间，通过软件定时器设置切换时间。

这一步是关键也是比较难实现的一步。有时软件或者硬件设计的不合理都可能导致启动失败。通常是采用估算的方式来选择切换速度。

通过上面的分析可知，无位置传感器直流无刷电机控制系统的难点就是加速及切换阶段。当电机顺利启动后，就可以对电机进行调速操作。其中，无位置传感器直流无刷电机和有位置传感器直流无刷电机调速原理一致。但，由于无感三段式启动过程，转子位置检测无效。因此，对电机进行的速度PID闭环控制，须在电机启动顺利完成后进行。

本项目的程序框图如下：在程序上电后，首先进行各种外设的初始化，完成后进入while循环里轮询执行代码。

审核编辑：汤梓红