【从零开始实现stm32无刷电机FOC】【硬件】集成驱动芯片、编码芯片、电流采样芯片、电机的选型

为了承载和验证本文的FOC代码工程，本节设计了一个简易的三相无刷电机硬件套件，

• 主控采用非常常用的stm32f103c8t6单片机，
• 驱动电路采用集成驱动芯片MS8313/DRV8313，
• 电机编码器采用MT6701，电机采用22xx系列云台电机
• 电流传感器采用INA199A1在线采样。
• 电机选择，与驱动电路（DRV8313）有关。
  由于驱动电流较小，选择线电阻大的电机（防止过流），云台舵机（而不是航模电机），KV值小于200。

该硬件套件使用无工具快拆装设计，到手即可直接快速手拧安装拆卸。
接下来对各个模块进行设计讲解：

 

一、MCU系统

PWM输出信号
用于输出FOC产生的PWM信号到电机驱动桥，直接引出即可（连接到DRV8313电机驱动芯片）。本文的硬件套件电路板将该三个信号引出方便接示波器，同时这里的PA9和PA10也是ISP烧录的引脚。

接入PWM的刹车引脚

ADC信号
用于电流采样信号采集，直接连线即可，注意ADC外设的通道是对应固定引脚的，不能随便接。

SPI信号

用于读取MT6701磁编码器

 

二、集成电机驱动芯片

为了方便学习验证FOC算法，本文选择集成驱动芯片MS8313/DRV8313，该芯片内部有3个半桥驱动以及保护电路，可以减少对驱动设计的要求以及防止损坏器件。
该芯片自带的过流保护和相线短路保护非常有用，如果使用MOS管搭建的驱动桥进行驱动，在刚开始学习验证FOC算法的时候，比较容易烧毁MOS管，我就烧毁过MOS管好几次。
但是该芯片驱动电流不是很高，每个电机相线最高峰值输出2.5A电流，对于学习验证阶段足够了。

 

 

三、磁编码器电路

本文使用MT6701磁编码器，该编码器价格比常用的AS5600稍贵，支持SPI角度读取。

经过我实测，stm32f1系列的I2C外设确实存在硬件bug，使用硬件I2C读取AS5600时，经常会陷入busy状态，因此本文使用支持SPI读取的MT6701。

MT6701供电电压可以是3.3V或者5V，这里使用了5V进行供电，因为MT6701数据手册中有写：要操作内部EEPROM时，供电电压在4.5V到5V之间。

不过一般也不操作内部EEPROM，操作内部EEPROM需要使用I2C方式，由于这里使用了SPI接口，万一要操作时请使用软件I2C。

 

四、电流采样电路

为了方便在定时器任意溢出时刻采样，将电流采集位置设计在电机相线上，采样时刻请查看前文（adc外设的高级用法）。
电流采样是放大采样电阻两端电压后输入单片机ADC引脚，再根据欧姆定律反算得到的。例如假设：

• 基准电压是1.65V，输出大于1.65V代表正向电流，小于1.65V代表负向电流。采样电阻实际电压 = （基准电压-ADC读取电压）/放大倍数
• INA199A1运算放大器放大倍数是50倍
• 采样电阻是0.02Ω(=20mΩ）
• 单片机ADC读到的电压是0.65V
  那么流经该相线的电流为(1.65-0.65)/50/0.02=1A。

本文电流传感器选择INA199系列，该电流传感器相对于更常用INA240系列的价格低很多，INA240大约是10+元一片，INA199具有26V的共模电压，采集相线上的采样电阻两端电压没有问题，就是参考电压需要输入1.65V会麻烦一点。

五、电机选择

由于MS8313/DRV8313驱动电流有限，因此最好选择绕组电阻高一点（线电阻10Ω以上）的电机，不要使用航模电机，这里使用2208云台电机。云台电机与航模电机主要的区别就是绕组铜线匝数不一样，云台电机匝数多、绕组电阻大、磁感应强度大、扭矩大，大概小于200KV的航模电机也就能称为云台电机了。
经过我的测试，使用1000KV的2208航模电机在MS8313/DRV8313驱动下，

位置环的力矩比较微弱，速度环勉强能运行，总之不适合MS8313/DRV8313驱动，当然由于MS8313/DRV8313自带过流保护，因此使用很低绕组电阻的航模电机也不会烧毁驱动。
下图左边是2208云台电机，右边是2208航模电机：

 

本文示例硬件说明

为了学习验证本文的FOC算法，我按照上述电路设计了一个简单的集成了磁编码器、电机驱动、单片机的ALL-IN-ONE验证板。点此链接前往查看。

 

 

本文参考：

https://blog.csdn.net/qq570437459/article/details/142188225