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英锐恩直流无刷电机无感驱动解决方案

更新时间: 2022-08-01
阅读量:4119

前人种树、后人乘凉,既然受惠于前人,怎好意思独享,当然也应该帮助一下新入门的开发者。由于BLDC开发按案例已经很多了,光搜一下无刷电机和电调都能看到各种各样的资料,次序和深浅程度不一,想要看完并完全理解这些资料对新人来说是一个艰巨的任务。写这篇文档的目的,在于做一个整理和汇总,把很多零散的、不完整的驱动过程分门别类整理出来,并添加一些自己制作电调时的经验和总结。

一、无刷直流电机基础知识

对于入门开发者来说,如下图所示,只需要记牢三个基本定则:左手定则,右手定则,右手螺旋定则。

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  二、内转子无刷直流电机的工作原理

磁回路分析法,在MicroChip、Freescale和Atmel三家公司的文档中,都不约而同地采用了这种方法来说明无刷电机的工作原理,其原理说明见图 1-4:

图片1.png

在图 1-4 中,当两头的线圈通上电流时,根据右手螺旋定则,会产生方向指向右的外加磁感应强度 B(如粗箭头方向所示),而中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致,以形成一个最短闭合磁力线回路,这样内转子就会按顺时针方向旋转了。
顺便提一句,有人曾经提到说不太理解这句话的含义:“当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时,转子所受的转动力矩最大”。注意这里说的是“力矩”最大,而不是“力”最大。诚然,在转子磁场与外部磁场方向一致时,转子所受磁力最大,但此时转子呈水平状态,力臂为 0,当然也就不会转动了。当转子转到水平位置时,虽然不再受到转动力矩的作用,但由于惯性原因,还会继续顺时针转动,这时若改变两头螺线管的电流方向,如下图所示,转子就会继续顺时针向前转动,见图 1-5 所示:

图片2.png

如此不断改变两头螺线管的电流方向,内转子就会不停转起来了。改变电流方向的这一动作,就叫做换相(commutation)。这里需要注意的是:何时换相只与转子的位置有关,而与转速无关。

三、三相六臂全桥全桥驱动电路原理

为了清楚地说明问题,我们先将原图作一些简化:

图片3.png

如上图所示,Q1 到 Q6 为功率场效应管,当需要 AB 相导通时,只需要打开 Q1, Q4 管,而使其他管保持截止。此时,电流的流经途径为:正极→Q1→线圈 A→绕组B→Q4→负极。这样,六种相位导通模式:AB, AC, BC, BA, CA, CB分别对应的场效应管打开顺序为Q1Q4, Q2Q2,Q3Q2, Q3Q6, Q5Q6, Q5Q4。

每个场效应管旁边还并联着一个二极管;图2-2采用的是H_PWM--L_ON方式来驱动的,也就是上臂采用PWM信号控制,而下臂 常开的一种驱动方式。比如在AB相导通时,单片机给Q1的栅极是PWM信号,而给 Q4 的栅极是常开信号,这样你就可以通过控制 Q1 输入端的 PWM 信号占空比来控制驱动电机的有效电压。此时A端和B端的电压波形如图 2-3 的圆圈中所示;现在问题来了,A相的电压是可以突变的,但是由于电感的作用,流经AB线圈的电流是不能突变的。线圈由于自身电感的作用产生极高的瞬时反电动势;而击穿元器件。所以这时候二极管的作用就来是在PWM信号的低电平期间,电流是按照图2-4所示的箭头路径续流的。由于负极端电位强制为零,二极管有一个正向压降,A点的电压就可以在瞬间降到比零略小的值,与图2-3的实验结果相吻合。

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六步法对应的定子线圈和转子磁极示意图:AC->AB->CB->CA->BA->BC。

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对应的电路控制示意图:

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四、反电势过零检测电路

这里采用的是三通道的运算放大器处替代霍尔作换相检测:

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各个信号对应的波形:

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五、驱动方式

电机正常启动一般分为两个步骤拖动和驱动;拖动指的是启动前不知道转子在磁场中的位置,直接按照6步骤通电带动转子旋转起来;驱动指的是电机转起来后检测过零点反电动势启动电机;
拖动6步顺序与驱动6部顺序一致如下表:U(A)、V(B)、W(C)相开关顺序以及对应的换向信号;
正转步骤:

图片10.png

每个换相信号UVW波形:

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U(A)、V(B)、W(C)相开关顺序以及对应的换向信号:(反向旋转)

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图片13.jpg

下面是以英锐恩EN8F1812单片机开发的例程,程序如下:

图片14.png

每次换臂的时间与PWM占空比设置如下:

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驱动例程

图片16.png

下图是用EN8F1812开发的驱动实验板子:

图片17.jpg

项目需要MCU资源及脚位分配:

图片18.jpg

下面是实测波形图,粉色:U相;青色:    V相;黄色:W相;蓝色:U相上臂。
占空比:24.5%,转速:8160

图片19.jpg

占空比:80.0%,转速:27480

图片20.jpg

占空比:55.0%,转速:19080

图片21.jpg

U、V、W相感应电压和中心电压:

图片22.jpg

图片23.jpg

外力转动电机时的各相感应电压的波形:

图片24.jpg

反转状态下,调速开关电压5.0V,(3.2V)下,3相的波形:

图片25.jpg

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的“直流无刷电机无感驱动解决方案”。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发,提供8位单片机、16位单片机、32位单片机。