原標(biāo)題：基于STC單片機的SPWM無刷電機驅(qū)動板 （六步PWM驅(qū)動BLDC,FOC入門）（原理圖+PCB）

基于STC單片機的SPWM無刷電機驅(qū)動板設(shè)計

無刷直流電機（BLDC）因其高效、壽命長和低噪音的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電動車、電動工具和家用電器中。通過基于STC單片機的SPWM控制方法，本文設(shè)計了一款BLDC驅(qū)動板，支持六步方波控制，同時為FOC（磁場定向控制）算法的拓展打下基礎(chǔ)。以下詳細介紹驅(qū)動板的設(shè)計方案，包括主控芯片型號及其功能。

系統(tǒng)設(shè)計概述

無刷電機的驅(qū)動設(shè)計可以分為硬件部分和軟件控制部分。硬件部分包括主控芯片、電機驅(qū)動模塊、電源管理模塊和保護電路。軟件部分則主要負責(zé)控制算法的實現(xiàn)。本設(shè)計采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)對電機進行控制，支持六步方波驅(qū)動，同時為FOC算法預(yù)留擴展接口。

驅(qū)動板的核心組件主要包括以下幾個部分：主控單片機（STC系列單片機）、功率驅(qū)動模塊（MOSFET和柵極驅(qū)動芯片）、反饋模塊（霍爾傳感器或電流采樣電路）以及電源模塊（5V和12V電壓轉(zhuǎn)換電路）。

主控芯片及其作用

主控芯片是驅(qū)動板的核心，負責(zé)信號處理、PWM輸出、狀態(tài)檢測和通信等功能。此次設(shè)計選擇了STC系列單片機，這類芯片因其高性價比、豐富的外設(shè)資源和廣泛的應(yīng)用支持，非常適合BLDC驅(qū)動應(yīng)用。

STC8A8K64S4A12

STC8A8K64S4A12是一款基于8051架構(gòu)的增強型8位單片機，擁有豐富的外設(shè)接口和硬件資源，能夠勝任復(fù)雜的BLDC控制任務(wù)。

關(guān)鍵參數(shù)包括：最高35MHz主頻、64KB Flash程序存儲器、4KB RAM數(shù)據(jù)存儲器、6個硬件PWM通道以及12位ADC模塊。其在設(shè)計中的作用包括產(chǎn)生SPWM信號、接收霍爾傳感器信號以實現(xiàn)換相邏輯、提供通信接口用于調(diào)試和參數(shù)調(diào)整，以及在擴展FOC功能時完成Clark和Park變換的數(shù)學(xué)運算。

STC15W408AS

STC15W408AS是一款經(jīng)濟型單片機，適合低成本的BLDC驅(qū)動設(shè)計。其最高主頻為35MHz，提供8KB Flash程序存儲器和512B RAM數(shù)據(jù)存儲器，具備4個硬件PWM通道和10位ADC模塊。該型號主要用于實現(xiàn)六步方波驅(qū)動，支持基本的電機轉(zhuǎn)速檢測與調(diào)節(jié)功能，同時控制MOSFET的驅(qū)動信號以保證電機的穩(wěn)定運行。

STC12C5A60S2

STC12C5A60S2是STC系列較早期的一款單片機，資源豐富，適用于學(xué)習(xí)和實驗。其主要參數(shù)包括最高40MHz主頻、60KB Flash存儲器、1280B RAM以及2個硬件PWM通道和10位ADC模塊。該型號可實現(xiàn)簡化的BLDC控制算法，同時通過硬件定時器進行PWM周期控制和死區(qū)調(diào)整。

硬件設(shè)計

功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊采用IR2101或IR2184柵極驅(qū)動芯片，以及IRF3205（低壓大電流）或IRF540N（通用型）功率MOSFET。模塊接收單片機輸出的PWM信號，驅(qū)動MOSFET開關(guān)，實現(xiàn)電機繞組的通斷控制。同時，驅(qū)動模塊支持上下橋臂的死區(qū)保護功能，避免直通故障。

位置檢測模塊

位置檢測可以通過霍爾傳感器或反電動勢信號完成。常用霍爾傳感器型號包括A3144和SS41，用于檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，反饋信號給單片機以實現(xiàn)精確換相。反電動勢檢測則無需額外傳感器，通過采樣繞組的電壓信號完成位置判斷。

電源模塊

電源模塊使用LM2596 DC-DC轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓穩(wěn)定地降壓至驅(qū)動和控制所需的12V和5V電壓。12V用于為柵極驅(qū)動芯片供電，5V則供主控芯片和霍爾傳感器使用。

電流采樣電路

電流采樣電路采用低阻值分流電阻（如0.01Ω）和LM358運算放大器，用于檢測電機繞組電流，并提供閉環(huán)控制的反饋信號。

軟件設(shè)計

SPWM信號生成

通過查表法或正弦函數(shù)計算得到PWM占空比，并利用硬件定時器輸出高頻PWM信號。SPWM頻率通常設(shè)置為15kHz以上，以減少電機噪聲。

信號生成流程包括初始化PWM模塊和定時器，讀取霍爾信號以確定電機位置，然后計算SPWM占空比并輸出。

六步方波驅(qū)動

六步方波驅(qū)動基于霍爾傳感器信號實現(xiàn)換相邏輯，每次換相僅使一對繞組通電。其實現(xiàn)簡單，適用于低成本場景。

FOC入門實現(xiàn)

FOC算法的關(guān)鍵步驟包括通過Clark變換將三相電流轉(zhuǎn)換為兩相直流信號，然后利用Park變換將信號轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，實現(xiàn)電流的解耦控制。解耦后的電流用于生成高精度的SPWM信號，從而實現(xiàn)高效、平穩(wěn)的電機控制。

原理圖與PCB設(shè)計

原理圖設(shè)計

原理圖分為主控單片機模塊、功率驅(qū)動模塊、電源模塊和保護電路模塊。在設(shè)計中，保證功率模塊布線盡量短且粗，增設(shè)去耦電容以減少電磁干擾。

PCB設(shè)計

PCB設(shè)計采用雙層板布局，頂層布置主控芯片和驅(qū)動電路，底層布置電源電路和反饋模塊。關(guān)鍵節(jié)點布置測試點以方便調(diào)試，并通過增加散熱孔降低功率器件的工作溫度。

結(jié)語

基于STC單片機的SPWM無刷電機驅(qū)動板設(shè)計方案具有實現(xiàn)成本低、開發(fā)靈活性高的特點。設(shè)計支持六步PWM控制，并預(yù)留FOC算法拓展能力，為初學(xué)者和開發(fā)者提供了良好的學(xué)習(xí)平臺。未來可以進一步優(yōu)化硬件設(shè)計與控制算法，以實現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)的電機控制系統(tǒng)。