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大神純手工打造無刷電機控制器：畫板、打樣、焊接、調(diào)速...

時間:03-23 15:42 點擊:592

東昊電機一直從事無刷電機和無刷電機控制器的研發(fā)生產(chǎn)，最近東昊電機的大神們又開始從畫板，打樣，焊接，調(diào)試，總算順利的轉(zhuǎn)起來，特意寫個總結(jié)。

板子外觀100*60mm中等大小。DC12V輸入，設(shè)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(diào)速預(yù)留有 PWM輸入、剎車、正反轉(zhuǎn)、USB和uart等接口。

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

直流無刷電機工作原理

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

永磁直流無刷電機

當(dāng)然難點就在如何獲取當(dāng)前轉(zhuǎn)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度或120度。無感就是靠檢測懸浮相的感應(yīng)電動勢過零點。當(dāng)然各有各的優(yōu)缺點，有感在低速方面好，可以頻繁啟停換相。無感的結(jié)構(gòu)簡單成本低，航模上應(yīng)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(qū)別的。它只是3個h橋按一定的順序?qū)M出來的，本質(zhì)還是直流電。電機靠hall位置按一定順序換相，轉(zhuǎn)速與電壓電流有關(guān)。這一點切記，不是換的越快轉(zhuǎn)的越快。（位置決定換相時刻，電壓決定轉(zhuǎn)速）一般調(diào)速就是調(diào)電壓，6步PWM方式是目前常用的。當(dāng)然后續(xù)還有FOC等更好算法。

硬件部分網(wǎng)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(qū)動。但是pmos低內(nèi)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(yè)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(dǎo)通。為了簡化電路采用了ir公司出的驅(qū)動ic，它內(nèi)部有自舉升壓電路。外部僅需一個續(xù)流的二極管及儲能電容即可。

直流無刷電機控制電路圖

直流無刷電機全橋式驅(qū)動電路

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

直流無刷電機霍爾接線圖

當(dāng)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(jù)組合狀態(tài)換相，程序上也沒什么復(fù)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(shè)定死區(qū)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);

}

直流無刷電機控制程序

下圖為uvw三相的霍爾檢測到的電平及w相的波形。

直流無刷電機曲線圖

下圖為 uvw三相波形及w相霍爾電平

三相直流無刷電機波形圖

下圖為 w相電平， w相上臂on 下臂pwm ，w相霍爾信號。

直流無刷電機波形曲線圖

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

直流無刷電機PWM波形圖

在說說無感模式，由于沒有了霍爾，無刷電機無法知道轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置所以就無法換相，而感應(yīng)電動勢也只有在轉(zhuǎn)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(yù)定位；2.啟動；3.進入閉環(huán)反饋。

1、預(yù)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(fā)熱。

2、啟動，就是逐步的強制換相，當(dāng)然要有個加速的過程，使電機轉(zhuǎn)起來。

這個過程太慢會抖動反轉(zhuǎn)，太快會丟步。參數(shù)需要一點點試，有點像控制步進電機。要能使電機轉(zhuǎn)的能產(chǎn)生電動勢，我也是參照的德國MK 電調(diào)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(zhuǎn)起來產(chǎn)生足夠的電動勢。

3、閉環(huán)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

{

Delay_US(120); //等待

}

timer-= timer/25+1;

if(timer < 25)

{

if(TEST_MANUELL)

{

timer = 25; //開環(huán)強制換向

}

else

{

bldc_dev.motor_state=RUN;

break;

}

Phase++;

Phase %= 6;

BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //

}

說到感應(yīng)電動勢很多人不明白，先來說說電流，電機線圈的內(nèi)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(dǎo)通的，因為有反向電動感應(yīng)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(xué)習(xí)的法拉第，當(dāng)線圈切割磁場時會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)右手定則。

直流無刷電機右手定則

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

直流無刷電機電磁切割圖