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        無刷電機控制器圖解:電路圖 程序 接線圖

        2020年01月06日 09:53 ? 次閱讀

        很早之前就想做一款無刷電機控制器,忙于工作一直沒有弄。最近有點時間畫板,打樣,焊接,調試,總算順利的轉起來。期間也遇到很多問題,上網查資料,自己量波形前前后后搞了差不多近一個月,(中間又出差一周)總算搞的差不多了,特意寫個總結。

        板子外觀100*60mm 中等大小。DC 12V輸入,設計最大電流10A.(實際沒試過那么大的電機,手頭的電機也就5 6A的樣子)硬件上可以切換有感(HALL)和無感(EMF)兩種模式,外部滑動變阻器調速 預留有 PWM輸入、剎車、正反轉、USBuart接口。

        先來說下原理無刷電機其實就是直流電機,和傳統的DC電機是一樣的,只是把有刷的電滑環變成了電子換向器。

        因為少了電滑環的摩擦所以壽命靜音方面有了很大的提升,轉速也更高。

        當然難點就在如何獲取當前轉子的位置好換相,所以又分為兩種有感和無感。

        有感就是在電機端蓋的部位加裝霍爾傳感器分別相隔30度或60度。無感就是靠檢測懸浮相的感應電動勢過零點(后面在細講)。

        當然各有各的優缺點,有感在低速方面好,可以頻繁啟停換相。無感的結構簡單成本低,航模上應用居多。

        先說有感,電源首先被分成了3個繞組U V W這個交流電還是有區別的。

        它只是3個h橋按一定的順序導通模擬出來的,本質還是直流電。電機靠hall位置按一定順序換相,轉速與電壓電流有關。這一點切記,不是換的越快轉的越快。(位置決定換相時刻,電壓決定轉速)一般調速就是調電壓,6步pwm方式是目前常用的。當然后續還有foc等更好算法。

        硬件部分網上基本都是成熟的方案。三相H橋,H橋一般有上臂mos和下臂mos組成,如果只是簡單的做演示上臂選pmos下臂選nmos控制電路簡單直接用單片機的io就可以驅動。但是pmos低內阻的價格高。功率上面很難做大。

        這也就是為什么基本所有的商業控制器全是nmos的原因。

        但是上臂用nmos存在一個問題vgs控制電壓大與vcc 4v以上才能完全導通。為了簡化電路采用了ir公司出的驅動ic,它內部有自舉升壓電路。外部僅需一個續流的二極管及儲能電容即可。

        有感模式控制相對簡單,3個霍爾傳感器輸出一般都是數字信號,分壓后直接接單片機io。

        當然控制方式上也就簡單很多,三個霍爾接中斷輸入,在中斷處理程序中根據組合狀態換相,程序上也沒什么復雜的。主程序 一直檢測ad值,改變pwm占空比,及電流保護等。

        如下一個典型的換相代碼。Stm32 有兩個高級定時器tim1 TIm8 可以輸出4組互補型pwm,還可以設定死區時間等,使用上非常方便。

        switch(step)

        {

        case 4: //B+ C-

        /* Next step: Step 2 ConfiguraTIon -------------------------------------- */

        TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);

        TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);

        }

        下圖為uvw三相的霍爾檢測到的電平及w相的波形。

        下圖為 uvw三相波形及w相霍爾電平

        下圖為 w相電平, w相上臂on 下臂pwm ,w相霍爾信號。

        下圖為w相ir2304芯片輸出,上臂電壓可明顯看到已高于vcc,下臂為pwm信號

        在說說無感模式,由于沒有了霍爾,電機無法知道轉子當前的位置所以就無法換相,而感應電動勢也只有在轉起來之后才有,所以無感模式的啟動是個難點。

        一般方法都是分三段法:1 預定位 2 啟動 3 進入閉環反饋

        正如網友說的江湖一層紙,戳破不值半文錢。

        1. 預定為就是強制給某一相通電一段時間,讓電機定位到這個位置。占空比30-50%不要太大,可能會發熱。

        2. 啟動,就是逐步的強制換相,當然要有個加速的過程,使電機轉起來。

        這個過程太慢會抖動反轉,太快會丟步。參數需要一點點試,有點像控制步進電機。要能使電機轉的能產生電動勢,我也是參照的德國MK 電調的算法。

        每次延時時間比上一次少1/25,形成一個加速的過程,直到電機完全轉起來產生足夠的電動勢。

        3. 閉環反饋控制換相跟有感差不多一樣。

        speed_duty=30; //30% start

        BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相

        Delay_MS(200);

        speed_duty=pwm;

        timer = 300;

        while(1)

        {

        for(i=0;i《timer; i++)

        {

        Delay_US(120); //等待

        }

        timer-= timer/25+1;

        if(timer 《 25)

        {

        if(TEST_MANUELL)

        {

        timer = 25; //開環強制換向

        }

        else

        {

        bldc_dev.motor_state=RUN;

        break;

        }

        }

        Phase++;

        Phase %= 6;

        BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //

        }

        說到感應電動勢很多人不明白,先來說說電流,電機線圈的內阻通常很小比如0.2歐,電機的電壓比如10v,按理來說電流100a為何電機不燒哪?

        其實電機線圈在通電的一瞬間并不是完全導通的,因為有反向電動感應勢的存在,可能有-9.8v。10v-9.8v = 0.2v /0.2 = 1A.這樣算起來電流還合理。

        在說說那個初中學習的法拉第 ,當線圈切割磁場時會產生感應電動勢,根據右手定則。。。。。。。。不懂的自行上網搜。

        如下圖當ac相在通電12v的情況下,靜止狀態下正中間中性點理論為6v,但是轉起來就不一定了,因為b相實際是在切割磁場,是會產生電動勢的。而電動勢的大小正負取決與當前在磁場ns極的位置。當切割ns時為-1,切割sn時為1,平行時為0.

        利用這一特性不就剛好可以獲得轉子的位置嗎?

        首先檢測電路網上已經一大很成熟了。

        如下圖,當然很多時候需要在4.7k對地的電阻上并一個100nf的電容,做一個低通濾波。也可以在軟件中做濾波處理。

        我們所要做的就是檢測這個懸浮相的電動勢過零點。

        網上常用的兩種方法:1 單片機ad采集;2 比較器比較。我選擇了比較器lm339價格已經很便宜了,在高速上比ad有明顯優勢,只要比較cin bin ain 與n點的壓差即可獲得零點。

        理想很完美,現實很殘酷,實際中根本得不到這么完美的波形。

        如下圖,這個已經是比較好的了,還是有很多毛刺。這個給單片機中斷,肯定一大堆問題,嚴重的換錯相燒mos管。

        為什么會有這些毛刺哪,有些還挺有規律。

        參考了網上的介紹,這中間還有一個叫消磁的東西。

        原理不深究了,反正時間很短,軟件上做一個濾波消掉就可以了。

        進入中斷函數后做如下處理 ,定時器的中斷我暫時用的20us。

        const unsigned int FilterNums = 0xff;

        static unsigned int nums =0;

        static unsigned int Queue_UStatus =0;

        static unsigned int Queue_VStatus =0;

        static unsigned int Queue_WStatus =0;

        static unsigned char EMF_SVal =0;

        unsigned char Filter_U_Status=0;

        unsigned char Filter_V_Status=0;

        unsigned char Filter_W_Status=0;

        unsigned char EMF_Val=0;

        unsigned int status_h;

        unsigned int status_l;

        unsigned int Delay30deg =0;

        /* 清除中斷標志位 */

        if ( TIM_GetITStatus(TIM3 , TIM_IT_Update) != RESET )

        {

        TIM_ClearITPendingBit(TIM3 , TIM_FLAG_Update);

        至于網上說檢測到過零點后,延時30度換相,對電源效率有影響。我試了下,好像沒什么明顯的差異。也有人說在大功率的電機下不延時反而更平滑等等。真實怎樣有待各位實際實驗了。

        最后秀幾張轉起來的照片

        硬盤電機 無感模式

        電動工具電機 有感模式

        加裝散熱片的樣子

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        發表于 2019-12-18 09:54? 588次閱讀
        制動電機的工作原理_制動電機的應用

        雙速電機正反轉接線圖

        本文主要介紹了雙速電機正反轉接線圖。
        發表于 2019-12-18 09:36? 1104次閱讀
        雙速電機正反轉接線圖

        雙速電機6根線怎么接_雙速電機實物接線圖

        本文主要闡述了雙速電機6根線的接線方法。
        發表于 2019-12-18 09:21? 1582次閱讀
        雙速電機6根線怎么接_雙速電機實物接線圖

        變頻器常用參數設置方法

        在實際設置時,可能從中間某一步開始。若還有其它的參數需要設置,不需要返回到待機狀態,只要返回到相應的....
        發表于 2019-12-17 09:34? 842次閱讀
        變頻器常用參數設置方法

        微特電機有哪些_微特電機種類

        本文首先介紹了微特電機種類,其次介紹了微特電機特征參數,最后闡述了微特電機發展趨勢。
        發表于 2019-12-17 08:56? 891次閱讀
        微特電機有哪些_微特電機種類

        微特電機的應用_微特電機結構

        本文首先介紹了微特電機的概念,其次闡述了微特電機的應用領域,最后介紹了微特電機結構。
        發表于 2019-12-17 08:51? 680次閱讀
        微特電機的應用_微特電機結構
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