📚 课程目录第2章开环电压控制

2. 开环电压控制

任务目标

本案例实现无刷直流电机（BLDC）的开环电压控制，包含两种驱动方式：六步换相（方波驱动）与正弦波驱动（SPWM）。通过STM32定时器输出PWM，驱动三相逆变桥，使电机旋转，并观察相电流波形差异。

硬件与依赖

STM32F103（72MHz主频）或兼容芯片
DRV8301或类似三相栅极驱动器 + 6个MOSFET逆变桥
无刷电机（带霍尔传感器或不带均可，本案例不使用传感器反馈）
电流采样：低侧采样电阻 + 运放放大至ADC引脚（可选，用于观察波形）
开发环境：STM32CubeIDE 或 Keil MDK

核心原理

六步换相：每60°电角度切换一次导通组合，每次只有两相导通（一相高边+一相低边），第三相关断。导通顺序为AB→AC→BC→BA→CA→CB（或反向）。
正弦波驱动：三相分别施加相位差120°的正弦PWM占空比，实现连续旋转磁场。本案例使用查表法生成正弦波，载波频率20kHz。

关键完整代码

// main.c 核心实现（省略时钟、GPIO初始化）
#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定时器句柄（TIM1用于PWM输出，TIM2用于定时中断）
extern TIM_HandleTypeDef htim1;
extern TIM_HandleTypeDef htim2;

// 六步换相导通表（低边有效，高边互补PWM）
// 顺序：AB, AC, BC, BA, CA, CB（对应电机正转）
const uint8_t step_table[6] = {0b000001, 0b000100, 0b000110, 0b001000, 0b001001, 0b000010};
// 位定义：bit0=AH, bit1=AL, bit2=BH, bit3=BL, bit4=CH, bit5=CL

// 正弦波查找表（256点，幅值0~1000，对应PWM占空比0~100%）
const uint16_t sin_table[256] = { /* 预生成数据，见下方生成代码 */ };

volatile uint8_t step_index = 0;
volatile uint16_t pwm_duty = 500;  // 初始占空比50%
volatile uint8_t mode = 0;         // 0=六步，1=正弦

// 生成正弦表（仅用于初始化，实际运行时查表）
void generate_sin_table(void) {
    for (int i = 0; i < 256; i++) {
        sin_table[i] = (uint16_t)(500 + 500 * sin(2 * 3.14159 * i / 256));
    }
}

// 设置三相PWM占空比（正弦模式）
void set_sin_pwm(uint16_t duty_a, uint16_t duty_b, uint16_t duty_c) {
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty_a);  // AH
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, duty_b);  // BH
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, duty_c);  // CH
    // 低边互补输出由TIM1高级定时器自动生成（需配置刹车和死区）
}

// 设置六步换相（方波模式）
void set_six_step(uint8_t step) {
    uint8_t pattern = step_table[step];
    // 高边PWM输出，低边按需导通
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, (pattern & 0x01) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);   // AH
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_7, (pattern & 0x02) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);   // AL
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, (pattern & 0x04) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);   // BH
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, (pattern & 0x08) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);   // BL
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_2, (pattern & 0x10) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);   // CH
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_3, (pattern & 0x20) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);   // CL
}

// 定时器2中断：每1ms调用一次，控制换相频率
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim == &htim2) {
        if (mode == 0) {
            // 六步换相：每1ms换一步，转速约1000rpm（6极对）
            step_index = (step_index + 1) % 6;
            set_six_step(step_index);
        } else {
            // 正弦模式：每1ms步进正弦表
            static uint16_t phase = 0;
            phase += 2;  // 步进速度可调
            uint16_t idx = phase % 256;
            uint16_t duty_a = sin_table[idx];
            uint16_t duty_b = sin_table[(idx + 85) % 256];  // 120°相位差
            uint16_t duty_c = sin_table[(idx + 171) % 256]; // 240°相位差
            set_sin_pwm(duty_a, duty_b, duty_c);
        }
    }
}

// 主函数
int main(void) {
    HAL_Init();
    // ... 系统时钟、GPIO、TIM初始化（略） ...
    
    // 启动PWM输出（20kHz）
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);
    
    // 启动定时器中断（1ms）
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
    
    // 初始状态：六步模式，第一步
    set_six_step(0);
    
    while (1) {
        // 主循环可处理按键切换模式、调速等
        // 例如：按键切换 mode 值
    }
}

运行与验证

编译烧录：使用STM32CubeIDE编译工程，通过ST-Link烧录至开发板。
连接电机：将电机三相线（U/V/W）连接至逆变桥输出A/B/C。
供电：先给控制板上电（3.3V），再给功率级上电（12V~24V，根据电机额定电压）。
观察运行：电机应平稳旋转。六步模式下会有轻微转矩脉动；正弦模式下运行更平滑。
电流波形验证：使用示波器探头连接低侧采样电阻两端（或电流探头），观察相电流波形：
- 六步模式：相电流为梯形波，换相点有明显跳变；
- 正弦模式：相电流接近正弦波，无明显跳变。
调速验证：修改定时器中断中的步进速度（六步的换相间隔或正弦的phase增量），电机转速应相应变化。

通过判定标准

电机在两种模式下均能持续旋转，无卡顿或停转；
六步模式下相电流呈现六步换相特征（梯形波），正弦模式下呈现正弦特征；
改变步进速度参数后，电机转速随之变化，方向可通过调整换相顺序反转。

常见问题

电机不转：检查PWM频率是否在20kHz附近（过高导致MOSFET开关损耗大，过低产生噪音）；确认死区时间设置（建议1~2μs）；检查MOSFET栅极驱动供电。
电流过大：初始占空比从30%开始逐步增加，避免启动电流过大；确认电机相电阻是否过小。
正弦模式抖动：正弦表精度不足或载波比过低，建议使用256点表并确保PWM频率≥10kHz。