【AutoChips AC7801x电机demo板测评】无感模式驱动直流无刷电机
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在上一篇测评文章中我介绍了AutoChips AC7801x电机开发板的开发环境搭建，本来按照一般的MCU开发板的测评流程应该在这一篇文章里介绍一下简单的开发，例如点亮一颗LED灯，完成最基本的IO操作等等，但是鉴于这块开发板是为特定用途设计的，也就是电机驱动，所以我就不再像一般开发板测评一样去赘述一些基本操作类的内容了，让我们直接进入正题——驱动无刷电机，实打实的来看一看这块开发板的功能。
在开始正式的电机驱动之前我先介绍一下今天用到的一些设备和工具，以便于大家对我的工作有一个全面的了解。
首先在电源方面，我使用的是睿登科技出品的DPS5005降压集成模块，这是一款额定电压为50V额定电流为5A的降压直流可调电源，但是无法输入交流电源，需要输入直流电源，输入的直流电源要高于输出电压1.1倍，在前级部分我使用的是额定电压为48V额定功率为350W的开关电源。购买回来的电源是不带外壳的，我自己用3D打印制作了一个外壳，并增加了温度检测和散热风扇。电源的外观如下：
本次测试中使用的电机是北京时代超群出品的57直流无刷电机，具体型号是57BL55S06-230TFA，这款电机的参数如下：
额定电压：24V
额定功率：60W
极对数： 2
额定转速：3000r/min
以上参数对我们本次测试比较重要，其他的一些例如相电阻相电感之类的参数在后面的测试用到时我会再次说明。
电机的图片如下：
用到的驱动板当然就是杰发AC7801x了，除此之外还用到了示波器，型号是DSCope U2P20，这是一款有梦源实验室开发的便携式虚拟示波器，相比较于其他的虚拟示波器它有基于FPGA的采样电路，采样深度达到了32M，可以在触发之后方便的放大查看，同时有一个很好用的上位机软件，能配合完成一系列的测量。
图片如下：
介绍完了使用到的所有设备，接下来我们就开始进入正题
这里需要对杰发AC7801x这块板子的供电单独说明一下，从测评一的电路原理图分析中我们知道，板子的供电主要分为了三部分：其一是由USB接口直接提供5V电源为MCU以及一部分低压电路供电，其二是由DC接口提供的12V电源来为MOS管的预驱芯片供电，其三是由接线座提供的高压电源来作为三相全桥的母线电源。另外板子上预留了一个可以短接的焊盘，当用焊锡短接这个焊盘的时候可以把第二部分电源和第三部分电源连在一起，也就是使用12V电源来做三相全桥的母线电源。
按照常规来讲，我应该使用单独的12V供电来为板子驱动部分提供电源，然后用电机的额定电压的电源来为电机提供电源，但是这块板子使用的DC接口是小型的接口，如下图，而我手头只有5MM的DC头，没办法插入，而且厂家也没有随开发板附送配套的电源，所以我只能使用短接焊点的办法为板子提供12V的电源，好在直流无刷电机的工作电压范围很宽，额定为24V的电机也可以在12V下工作，只不过其转速无法达到额定转速。
在开始驱动电机之前还要完成一个工作，那就是把电机控制例程的程序烧录进开发板
用我们在上一篇测评中提到的方法，在MotorStudio里面配置好电机的参数，设定好电源之后，生成工程如下：
用Keil软件打开工程
可以看到整个的工程还是比较复杂的，在这一篇文章里我们先不去分析软件代码，我们先将程序下载进开发板看看具体的效果
在这里还需要在Keil里面安装AutoChips的芯片支持包，如下：
之后在DEVICE里面选择对应的芯片
然后就可以点击编译进行工程的编译了
开发板使用的AC78013FDLA芯片基于ARM内核可以使用J-LINK、DAP-LINK等下载器来进行下载，我手头只有DAP-LINK，所有就使用这种方式来下载
在程序下载完之后我们打开MotorStudio，用USB线缆将开发板和电脑连接起来，在MotorStudio中选择对应的串口，点击连接
当然，在这里还得吐槽一句，开发板用的这个MINI USB的接口实在太不友好了，要不是我最近在做测评，那我肯定是用不到这种接口的线了
在连接成功之后状态栏会有一些信息输出：
到此就完成了程序下载，我们断开USB线缆，将电机的UVW三相线接入开发板上对应的接线座，因为我们本次使用的驱动方法是无传感器方波驱动，所以不需要接霍尔传感器的线，之后将直流电源接好，再次连接USB线到电脑上，重新连接开发板
然后在电机监控页面电机启动按钮，启动电机
在监控页面可以看到，启动电机之后各仪表都有了对应的输出，同时在右侧异常信息下方还实时显示了电机当前的转速。
因为电机启动之后的图片很难与未启动时看出区别，所以我在这里就不放图了，我简单描述一下电机启动的过程。
在按下启动键后，电机轴会突然旋转一个角度，这是在无传感器驱动时启动阶段的预定位过程，大概在持续两秒钟之后，电机会以一个较低的转速旋转，这里应该是开环启动，也就是强制换向，迫使电机以一定速率旋转以便于检测反电动势。再然后电机会缓慢加速，大概在5-6秒之后达到最高转速。
这个过程描述起来可能不太直观，所幸MotorStudio为我们提供了可视化的输出，我们点击上方的曲线图按钮
我们先来观察一下电机启动过程的曲线图，图中蓝色曲线为转速给定，红色曲线为转速反馈
可以看到，图线完全与我们在电机上观察到的一致，一开始是一个预定位时间，然后以一定的频率强制换相，使得电机开环启动到一定转速，等转速稳定之后再切换入闭环控制，同时在这一过程中完成电机的加速。
接下来我们再看一下电机对转速的跟随性能怎么样，按动开发板上丝印信息标注的Fast按键可以增加电机的转速，Slow按键可以减小电机的转速
同样，我们在曲线窗口看一下电机转速的跟随情况
可以看到无论是加速过程还是减速过程，转速的跟踪都很稳定，没有超调，也几乎没有滞后
在电机监控的寄存器页面下，可以看到非常多的非常详细的信息，这些信息可以帮助我们监控开发板和电机运行的状态。
说完了MotorStudio对电机运行监控的部分，我们接下来用示波器观察一下电机运行过程中的电压波形
在这里需要说明一下，本次观测中，观察的电压是电机三相引出线相对于电源地的电压，并非电机三相相对于中性点的电压。原因是虽然开发板上留出了对应的测试点，但是示波器的探头和夹子却不好固定在上面，而我又暂时不想通过飞线的方法来引出，所以就测试了三相引出线相对于电源地的电压。
这是电机在运行时的A相引出线相对于地的电压波形图
我们拿出一个无刷电机的三相全桥驱动电路来分析一下
图中的红线是我们的示波器探头所夹的位置，示波器的夹子夹在电源地上。
从这个驱动电路我们很容易可以得出，只有当U相桥臂的下管关断的时候才能在示波器上看到电压，当下管开通的时候，示波器的探头被直接短路接地，是无法看到电压的。而一相桥臂的下管在一次换相周期内会关闭2/3的时间即240°电角度，也就正对应了我们观察到的波形中的只有2/3的时间能看到波形。
当U相桥臂下管关断时，包括四个60°的电角度周期，其中两个周期是U相桥臂上管开通，另外两个周期是V相和W相上管开通。对应在波形图中也就是，梯形波的两个“腰”分别对应V相和W相上管开通，此时测得的电压是电机的U相反电动势叠加上电动机电枢电流在VW两相绕组上产生的电压降的一半（这个电压降是一个很小的值，因为电机的空载电流很小，相电阻也很小，可以近似忽略），而梯形波的“顶”对应的是U相桥臂开通，此时测得的电压就是直流母线的电压，至于波形中的高频开关波形则是直流母线电压的PWM调制产生的。
我们把波形放大一点来看
在这张图里可以清晰的看到反电动势的过零点，在一般的无刷电机无感控制中就是通过检测这个过零点然后延迟30°电角度来换相的。
我们再把波形放大一点来看看反电动势的上升和下降过程
可以看到，这是一个非常标准的梯形波
这是放大之后的梯形波的下降沿，这里的每一个高电平的上升沿都有一个过冲，我暂时还没有分析清楚为什么会出现这个过充，如果有哪位老哥知道的话欢迎指教！
这是在梯形波的波顶部分的波形，这里的波形上升沿就没有出现过冲
接下来我们增加一个观测通道，来把U相和V相相对于电源地的电压波形放在一起观测一下，图中黄色是U相波形，绿色是V相波形
可以看到V相电压明显滞后了U相120°电角度
放大一下再看看
放的更大一点看看细节
再整体上感受一下波形，唉，没到这个时候我就想要一台四通道的示波器来同时观测一下三相电压了，搞电机控制的人还是需要高端示波器啊
接下来我们看点有意思的，看一看电机在启动过程中的波形图
这是电机在进行预定位过程，也就是以一定的占空比为三相绕组中的两相加一定的电压，使得转子固定在一个位置，至于这里通道二的波形没有显示的原因是，在预定位过程中V相桥臂下管开通了，所以通道二被直接短路到地了。下面我会把示波器夹到W相重新观察一次。
这是电机启动过程中的强制换相过程，通过这个过程，电机会被加速，直到反电动势足够大，能够被反电动势过零检测电路检测出来为止。
这里是预定位与强制换相切换的波形
以下是启动过程中U相电压和W相电压的波形
以下是启动完成后的U相电压和W相电压的波形，可以看到W相电压超前U相电压120°电角度。
至此，今天的测试内容就全部完成了，我目前还在学习直流无刷电机，文中难免会有各种各样的错误，欢迎读者给我指出斧正！
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