项目简介

本项目是基于MSPM0G3507(德州仪器)单片机的无刷电机驱动器(以下简称"驱动器")，由主电路、控制电路与电源模块三部分组成。

主电路为驱动器的主体部分，最主要的是集成三相半桥逆变电路(市面上常见的“电调”就是这个)。除此之外，还集成一些运行参数监测与采集电路(包括：无刷电机三项电压波型、三项电流波型的采样电路，和两路电源电压值监测电路)和交互电路(包括：串口通信电路、OLED显示电路)。另外，对板载运放和MCU供电的电源也集中在主电路上，对于驱动器电源路径的描述请参考下图：

图1 电源路径框图

控制电路顾名思义，即为MCU最小系统板，除前文提到的MSPM0G3507外，还集成一颗STM32G030K6T6进行辅助控制。控制电路通过mini PCIE接口与主电路进行连接；

电源模块指为满足无刷电机运行时对功率的需求而设计的电源模块，使用芯片为LM5148(德州仪器)，可输出功率等级为12V/10A，具有较强的带载能力。

功能验证

已验证功能：

• 驱动无刷电机
• 电源模块可调输出
• 可通过示波器观察到输出的马鞍波

正在开发的功能：

• 单片机与上位机通过串口通信
• OLED显示
• 电流电压波型通过上位机显示

参考工程与文档

部分硬件参考：https://oshwhub.com/ku-dian-ke-ji-guan/wu-shua-dian-ji-kong-zhi-qi
SVPWM算法原理：https://zhuanlan.zhihu.com/p/414721065
软件算法实现：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22532466633

项目主要硬件选型

• MSPM0G3507单片机主控
• CH340串口通信
• IIC通信协议OLED显示
• LM5148电源芯片(BUCK,25V to 12V)
• LM358差分运放实现电压采集
• INA199电流感应放大器
• FD6288栅极驱动
• 6S Lipo电池供电

工程解析（硬件说明）

* 前言--对工程文档的描述

工程文件夹如下图：

图2 工程文件夹

共包含四个板与一个游离的PCB工程，从上到下依次说明：

1. Control为控制电路
2. LM5148_EVM为电源模块
3. Main_V1.0为测试电路，可忽略
4. Main_V2.0为主电路
5. 游离的PCB工程可忽略
6. Functional Block为上文提到的电源路径框图

下面按照顺序依次介绍三个子电路

一、控制电路

控制电路使用两个MCU，分别为MSPM0G3507与STM32G030K6T6。其中前者为主要控制器，负责算法运行、线电压电流波型采样、与上位机通讯等功能；后者为辅助控制器，主要负责电源电压监测、OLED显示、紧急关断等功能，为节约PCB空间使用mini PCIE接口，将控制电路独立于主电路有两个好处：1、主电路或者控制电路任意一方做出修改时，不需要对对方进行重新焊接，节省成本。2、读者若有意复刻且不喜欢此控制电路，可独立设计自己喜欢的控制电路，只需保留原接口即可；实物图如下：

图3 控制电路

控制电路内置线性稳压器(3V3)，因此只需要通过PCIE接口使用5V供电即可。板载两个按键分别为两块MCU的复位按键。除电源外，两块MCU无任何电气连接。

二、电源模块

电源模块使用可调输出版本。通过阅读LM5148数据手册可知，将FB引脚通过特定阻值的电阻连接到VDDA引脚可以输出固定输出的电压；或者将输出电压通过电阻分压网络连接到FB引脚，可以实现可调电压输出。

*快速设计原理图可以使用TI官方电源拓扑设计工具而无需手动计算参数
(工具链接：https://webench.ti.com/power-designer/switching-regulator?base_pn=LM5148&origin=ODS&litsection=features)

原理图设计如下：

图4 电源模块原理图

电源模块未完全按照由上述工具生成的拓扑进行绘制，主要进行了两点修改：

1. 在VCC脚与CBOOT脚之间串联外置自举电容(芯片内部集成了自举电容但有限流，主要为分担芯片内部自举电容压力设计，可以不用焊接)
2. HO与LO引脚与上下桥臂之间串联了加速二极管，关于加速二极管的作用请读者自行百度

！重要 ！

除两点修改之外，由R83与R2构成的电阻反馈网络阻值不准确，电阻网络如何取值请参考LM514数据手册(见附件)第20页！
下图节选自数据手册第20页

图5 反馈电阻取值公式

电感问题

电感使用自绕磁环电感，可节约成本
磁环电感绕制方法：

1. 购买合适磁环(型号：056-060)，购买链接如下：
   【淘宝】假一赔四 https://e.tb.cn/h.Tj6lehQYXn9aBVC?tk=9EzbecCggp0 HU591 「铁硅铝磁环高频滤波抗干扰大功率铁氧体逆变器电感线圈」点击链接直接打开 或者 淘宝搜索直接打开
2. 购买合适漆包线(型号：1.2mm)，链接如下：【淘宝】假一赔四 https://e.tb.cn/h.TyKg7PT8T8T587t?tk=tpGxeo54Xav HU293 「180度耐热纯铜漆包线EIW电磁线漆包圆铜线全铜QZY-2/180」
   点击链接直接打开 或者 淘宝搜索直接打开
3. 使用漆包线绕磁环13圈，预留焊接长度，使用刀片挂掉焊接部位的绝缘漆即可

图6 绕制磁环电感

最终焊接实物图如下：

图7 电源模块实物图

！重要 ！

MOS管请采用高耐压MOS，作者使用耐压值为60V的MOS

三、主电路

对于主电路仅基于原理图做几点说明：

第一点说明：

图8 Main_V2.0原理图中对于电压波型采样的部分

如图所示主电路中设置了四路差分采样电路采样三相输出电压(MOTOR1、MOTOR2、MOTOR3)和一项虚拟中性点电压(NP，未焊接)。关于差分电路电阻阻值的选取要遵循以下原则：

1. 使放大电路输入阻抗尽可能大，输出阻抗尽可能小
2. 阻值的选取要满足无需借助其他电路完成对输入信号的衰减这个条件，使输出电压在ADC承受范围内
3. 输出端串入一阶RC低通滤波器，截至频率为SVPWM频率的3~5倍以滤除其他高频噪声
4. 末端并入齐纳二极管，对输出电压起限幅作用，保护单片机引脚

实物焊接图如下：

图9 采样电路焊接实物图(局部)

作者使用的电阻取值如下图(TINA仿真)：

图10 采样电路仿真

幅相特性曲线如下：

图11 采样电路幅相特性曲线

第二点说明：

图12 参考电压VREF原理图

参考电压原计划使用TL431(德州仪器)电压基准芯片。但TL431最低输出2.5V电压，会使输出信号偏移量较大，而单片机ADC引脚最大容忍电压仅为3.3V。因此使用2.5V的参考电压对电压波型采样是极为不利的。实际焊接时仅需要焊接R78、R79两个电阻对3.3V分压，R61焊接0ohm即可。此做法可以保存差分采样电路的功能而削弱参考电压对实际波形的偏移。

第三点说明

图13 高侧开关

此高侧开关为STM32G0控制，具体逻辑为：当CTRL引脚置高电平时Q7截止，VMOTOR降为零，电机被紧急切断电源；当CTRL引脚置低电平时Q7导通，VMOTOR=VBUS，电机正常运行。若读者不想使用此功能，仅需要不焊接电阻R42,三极管会在R40的作用下拉低三极管基极电平，使Q7持续导通。

第四点说明

图14 驱动电源1

R27与R33构成的分压网络也需要自行计算阻值，具体请参考附件

第五点说明

！这部分作者也在探索，不保证完全正确！

图15 母线电压泄放回路

因无刷电机运行特性会造成母线电压泵升，并联齐纳二极管限制母线电压，R10为电流采样电阻，实际值应焊接mohm级别的采样电阻？

四、关于软件

软件部分不对大众开源，实在需要请说明来意私信作者
QQ:3265809330
另外软件实现思路请参考作者文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/22532466633

测试表现

图16 完整版实物图

图17 使用示波器调试

波形图如下：

图18 线电压波型

图19 相电压波型

图20 相位相差120°的线电压波型

致谢

合作伙伴：春风佬(B站：@春风好菜)，柒七佬(B站：@柒七-------)，与秋佬(比较神秘)

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附：关于测试电路(工程Main_V1.0)

作者电源模块的调试与代码验证均依托于测试电路完成

图21 Main_V1.0 PCB中电源模块调试焊接实物图

在电源调试过程中，将原初计划使用的水泥电感换成磁环电感；将部分0805封装的输输入输出电容换成1210封装的陶瓷电容。
在输入24V输出11.2V/10.667A的条件下效率可达96%，而几乎无发热。输出纹波波型如下：

图22 电压纹波

因本项目核心部分也不是电源模块，因此无需对电源做更深的研究。但根据春风佬的建议，执行输入输出电容换成容值更大的固态电容、外置自举二极管、外置加速二极管等修改足以使电源表现更出色。另外，将水泥电感换成磁环电感可以节省很大的PCB焊盘空间

图23 测试电路