代码收藏家技术教程 2023-07-25

直流无刷电机在电机应用控制中的应用

前言

声明：学习笔记来自正点原子B站教程，仅供学习交流！！

一、概述

简介：

直流无刷电机（BLDC）是指无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机，有刷直流电机与无刷电机的最大结构区别：无刷没有电刷以及换向器；转子与定子反过来了！如下图无刷电机（左）定子是绕组而有刷电机（右）定子是永磁体！

无刷电机的运转过程类似机电传动控制课程的异步电机，利用定子磁场位置的不断变化，“吸着”/“”拖着“永磁铁转子的运动。

分类：

主要参数：

极对数：转子磁铁NS级的对数，此参数和电机旋转速度有关：电子速度 = 电机实际速度 * 极对数

KV值：值越大电机转速越大。电机转速 = KV值*工作电压

额定转速：额定的电流下的空载转速，通常单位用RPM表示

转矩：电机中转子产生的可以带动机械负载的驱动力矩。通常单位为：N-M

应用场景：（前途无量）

无刷电机的应用场景很广泛，如电动车、无人机、风扇、鼓风机、抽油烟机等等。

二、驱动原理

内转子式BLDC为例：

引脚：

原理分析：

内转子式BLDC简化后如下。u、w、v可+可-，然后两两组合导通，共六种，也称为六步换相

如何实现三相极性切换？

使用三相逆变电路来实现极性的更换。三个半桥，高功率的MOS管来进行开关动作：

上面的方式是直接把电源加载到线圈上，会使电机很快飙到很高的速度。所以一般都是将高低电平用PWM来代替，这样可以方便的控制线圈电流，从而控制转子扭矩及转速：

PWM控制直流无刷电机的常见方法如上右图，实验用的是第四种H_PWM – L_ON：上桥臂使用PWM调制，下桥臂使用高低电平直接控制，电机转速，取决于上桥臂PWM的占空比。

如何确定当前转子的位置在哪？

有位置传感器（通过霍尔传感器读取）；无传感器（通过反电动势读取）。这里只介绍有感控制，无感控制在下面单独列出！

霍尔传感器检测：

霍尔与绕组得电情况真值表，不同厂家不同，不需要记忆！

驱动板介绍：

具有三相逆变电路、支持三相电流采样、电源电压采样和温度检测、霍尔/编码器/过零信号、过流保护电路等功能。……略

有感驱动配置流程：

①初始化TIM及IO。初始化相关IO，以及初始化定时器，6路通道（3路上桥臂以及3路下桥臂），开启中断。

②霍尔状态读取。编写霍尔传感器状态读取函数。

③六步组合。上下桥臂的导通情况，共6种，也称为6步换向。

④设置无刷参数。设置旋转方向以及脉冲占空比，并编写无刷启停函数。

⑤中断服务函数。在中断里边读取霍尔状态，根据方向以及霍尔状态依次导通上下桥臂。

模拟量采集配置流程：

①电机基本驱动。实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。

②初始化ADC&DMA。使用DMA进行ADC的数据传输，减少CPU的使用率。

③采集函数。编写数据采集函数。

④中断服务函数。采集电机未开始转时的基准电压，在将旋转后得到的电压进行相减得到实际电压。

三、（有感）速度闭环控制

有感测速原理：

第一步：可以看出当只有一对级时，旋转一圈霍尔输出一个完整脉冲（一N一S）

第二步：计算其中高电平的持续时间，即：t = C / Ft （其中Ft是计数频率，C为计数次数）

第三步：所以旋转一圈，需要的总时间为T = 2*C/Ft

所得出的结果就为：s/圈，倒数就为：圈/s ，转化为RPM即：Ft/（2*C） *60 即可

当转子为2对级时，速度公式为：Ft/(4*C)*60

有感速度闭环控制配置：

①电机基本驱动：实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。

②PID算法：实现PID算法（增量式/位置式）。

③速度控制：编写速度控制代码。

④上位机通信：编写上位机通信代码，可在上位机上实时显示当前速度与目标速度的波形变化。

⑤中断服务函数：在中断里边计算电机速度，调用PID算法实现PID控制。

以上说的是有霍尔传感器的有感控制，下面介绍下无感控制！

四、无感控制（无位置传感器）

简介：

无感控制不需要位置传感器（霍尔或光电）就能对无刷电机进行驱动，只有黄绿蓝三根粗线（U、V、W），无另外五根与传感器有关的细线。因为没有位置传感器，所以电机体积很小。

有感驱动：通过霍尔信号的组合判断转子当前位置；无感驱动：通过过零信号的组合判断转子当前位置。

控制原理：

在定子绕组换相的过程中，磁场方向不断变化，永磁铁转子转动，这时由楞次定律会产生反电动势。

过零点：反电点势从正变化为负或者从负变化为正的点。反电动势过零点都发生在不通电的那一相。

电机旋转一个电周期中电流和反电动势的波形如下：（其中实线代表电流，虚线代表反电动势，红点为过零点）

分析：第一个60°内，A相电流为正，B相电流为负，C相电流为零，这说明电机AB相通电，电流从A相流入B相，C相为开路，反电动势的过零点正好出现在C相，因此只要在每个60°内检测不通电那一相的电压，即可检测反电动势过零点。过零点的检测通过上图右侧的比较电路实现（过零点其实就是个跳变点12V+-E反），比较是大于12V还是小于12V，输出1或0判断信号。

注意：1、过零信号的组合确定转子位置；2、过零点发生在换相提前30°的时刻。（结合上左图理解）

结论：准确检测出反电动势的过零点，将其延迟 30°，即为需要换相的时刻。如此就代替了位置传感器判断何时换相。

过零信号组合对应的绕组导通真值表：

无感驱动整体框图：

通过过零信号的组合判断转子当前位置，控制逆变器功率器件的开/关实现绕组的换相。

过零电路解析：

由于相电压过大，需电阻分压网络，进行分压（左图最右侧）；（运算放大器）将输出信号和输入信号进行隔离，同时增强了信号的驱动能力（中）；7 脚输出加了 RC 低通滤波，主要以去除信号线上的高频毛刺干扰（中）；BEMF_M为虚拟中性点，右图极为主要的比较电路，若BEMF_U（V或W）比中性点BEMF_M大输出1，反之输出0，通过ZERO_U（V、W）过零信号的组合判断转子当前位置。