描述
<h1>基于 CH32V003 的闭环恒速便携式镊子打磨台</h1>
<h2>1. 项目概述</h2>
<p>本项目设计一款面向镊子、细小金属件和精密工具修整的便携式智能打磨台。系统使用单节 18650 锂电池供电，以 130 高速直流电机作为动力源，通过 3D 打印 6:1 行星减速机构提高输出扭矩，并在输出轴端加入霍尔测速模块，实现打磨盘转速闭环控制。</p>
<p>主控芯片选用沁恒 <code>CH32V003F4P6</code> RISC-V MCU，负责电位器无级调速、PWM 电机控制、霍尔输入捕获测速、电池电压检测、电机电流检测和故障保护。相比普通 PWM 调速电磨，本项目的重点是实现小型化、低成本、可充电、恒速控制和安全保护。</p>
<h2>2. 设计目标</h2>
<ul>
<li>使用单节 18650 电池供电，支持便携使用。</li>
<li>使用 130 马达和 6:1 行星减速，提高打磨盘低速扭矩。</li>
<li>使用电位器实现无级调速，操作直观。</li>
<li>使用霍尔传感器检测输出轴转速，实现闭环恒速。</li>
<li>使用电流检测实现堵转和过载保护。</li>
<li>使用 3D 打印结构完成电机、减速器、轴承和打磨盘组件集成。</li>
<li>适合作为立创/沁恒杯电子设计比赛作品展示。</li>
</ul>
<h2>3. 系统架构</h2>
<pre><code class="language-text">USB-C 5V 输入
│
▼
锂电池充电模块
│
▼
1S 18650 电池 + 保护板
│
├── 3.3V LDO ── CH32V003F4P6
│ ├── ADC：电位器调速
│ ├── ADC：电池电压检测
│ ├── ADC：电机电流检测
│ ├── TIM1：32kHz PWM 输出
│ └── TIM2：霍尔输入捕获测速
│
└── 低边 NMOS PWM 驱动
│
▼
130 马达
│
▼
6:1 行星减速器
│
▼
3mm 输出轴 + 打磨盘
│
▼
磁铁 + 霍尔测速反馈</code></pre>
<h2>4. 核心硬件方案</h2>
<h3>4.1 主控 MCU</h3>
<p>主控采用 <code>CH32V003F4P6</code>，该芯片具备 ADC、定时器 PWM、输入捕获、GPIO 中断等资源，能够满足本项目对电机控制和传感检测的需求。</p>
<p>主要任务：</p>
<ul>
<li>读取 10k 电位器设定目标转速。</li>
<li>输出 32kHz PWM 控制电机功率。</li>
<li>通过 TIM2 输入捕获读取霍尔脉冲周期。</li>
<li>计算输出轴实际转速。</li>
<li>执行 PI 闭环控制，维持目标转速。</li>
<li>检测电机电流和电池电压。</li>
<li>实现低电量、过流、堵转等保护逻辑。</li>
</ul>
<h3>4.2 电机驱动</h3>
<p>第一版采用低边 N 沟道 MOSFET 控制 130 马达：</p>
<pre><code class="language-text">BAT+ → 马达 → NMOS Drain
NMOS Source → GND
CH32V003 PWM → Gate 电阻 → NMOS Gate
Gate → 100k 下拉 → GND</code></pre>
<p>PWM 频率设定为 <code>32kHz</code>，高于人耳可闻范围，能减少电机啸叫。MOSFET 第一版可使用 <code>AO3400A</code>，正式版建议改用更大封装、低导通电阻的逻辑电平 NMOS。</p>
<h3>4.3 闭环测速</h3>
<p>测速位置设计在输出轴端，而不是电机端。输出轴套有磁铁座，磁铁随打磨盘同步旋转，霍尔传感器固定在前端盖支架上。</p>
<p>推荐配置：</p>
<ul>
<li>磁铁：<code>2×1mm</code> 钕磁铁，第一版使用 1 颗。</li>
<li>霍尔：<code>A3144</code> 或 <code>DRV5032</code> 数字霍尔。</li>
<li>磁铁与霍尔间隙：<code>1~2mm</code>。</li>
<li>每转脉冲数：<code>PPR = 1</code>。</li>
</ul>
<p>转速计算公式：</p>
<pre><code class="language-text">RPM = 60 × 脉冲频率 / PPR</code></pre>
<h3>4.4 调速方式</h3>
<p>使用 <code>10k B型线性电位器</code> 作为用户输入：</p>
<pre><code class="language-text">电位器一端 → 3.3V
电位器另一端 → GND
电位器中间脚 → 1k → PA2 / ADC_IN0
ADC 点 → 100nF → GND</code></pre>
<p>软件将 ADC 值映射为目标转速，而不是直接映射为 PWM 占空比。这样当负载变化时，系统会自动调整 PWM 以维持目标转速。</p>
<h3>4.5 电流检测与保护</h3>
<p>电机低边串联 <code>10mΩ</code> 采样电阻，使用 <code>INA180A2</code> 放大电流采样信号并送入 MCU ADC。</p>
<p>保护策略：</p>
<ul>
<li>正常工作：按闭环控制运行。</li>
<li>轻微过载：提高 PWM 进行转速补偿。</li>
<li>严重过载：限制 PWM。</li>
<li>堵转或持续过流：关闭电机并进入故障状态。</li>
</ul>
<h2>5. 机械结构设计</h2>
<p>机械部分由 3D 打印件和标准五金件组成：</p>
<ul>
<li>6:1 行星减速器：太阳轮 10 齿、行星轮 20 齿、固定内齿圈 50 齿。</li>
<li>输出轴：3mm 金属轴。</li>
<li>前端轴承：MR83ZZ，规格 3×8×3mm。</li>
<li>打磨盘：25mm 打磨盘托盘。</li>
<li>闭环测速：输出轴磁铁座 + 霍尔支架。</li>
</ul>
<p>减速比：</p>
<pre><code class="language-text">减速比 = 1 + 内齿圈齿数 / 太阳轮齿数
= 1 + 50 / 10
= 6:1</code></pre>
<h2>6. 软件控制策略</h2>
<p>软件采用“目标转速 + 实际转速反馈”的闭环控制方式。</p>
<p>控制流程：</p>
<pre><code class="language-text">读取电位器 ADC
│
▼
换算目标 RPM
│
▼
霍尔输入捕获计算实际 RPM
│
▼
PI 控制器计算 PWM 占空比
│
▼
TIM1 输出 32kHz PWM
│
▼
马达驱动与转速反馈</code></pre>
<p>默认参数：</p>
<pre><code class="language-text">PWM 频率：32kHz
目标转速范围：800~5500rpm
控制周期：10ms
每转脉冲数：1</code></pre>
<h2>7. 项目创新点</h2>
<ol>
<li><strong>输出轴闭环恒速</strong>直接检测打磨盘实际转速，而不是只检测电机或简单控制 PWM，占用很少硬件资源即可实现负载补偿。</li>
<li><strong>低成本 RISC-V MCU 控制</strong>使用 CH32V003F4P6 完成 ADC、PWM、输入捕获和保护逻辑，适合低成本量产和赛事展示。</li>
<li><strong>3D 打印行星减速器</strong>通过 6:1 行星减速提高扭矩，使 130 高速马达更适合低速精密打磨。</li>
<li><strong>安全保护完整</strong>设计电池保护、低电压保护、电机过流保护和堵转保护，提升可用性和安全性。</li>
<li><strong>可迭代模块化结构</strong>齿轮箱、输出端、霍尔测速组件和控制电路分模块设计，便于后续改进。</li>
</ol>
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