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    英銳恩直流無刷電機無感驅動解決方案

    更新時間: 2022-08-01
    閱讀量:321

    前人種樹、后人乘涼,既然受惠于前人,怎好意思獨享,當然也應該幫助一下新入門的開發者。由于BLDC開發按案例已經很多了,光搜一下無刷電機和電調都能看到各種各樣的資料,次序和深淺程度不一,想要看完并完全理解這些資料對新人來說是一個艱巨的任務。寫這篇文檔的目的,在于做一個整理和匯總,把很多零散的、不完整的驅動過程分門別類整理出來,并添加一些自己制作電調時的經驗和總結。

    一、無刷直流電機基礎知識

    對于入門開發者來說,如下圖所示,只需要記牢三個基本定則:左手定則,右手定則,右手螺旋定則。

    20220801171353.jpg

      二、內轉子無刷直流電機的工作原理

    磁回路分析法,在MicroChip、Freescale和Atmel三家公司的文檔中,都不約而同地采用了這種方法來說明無刷電機的工作原理,其原理說明見圖 1-4:

    圖片1.png

    在圖 1-4 中,當兩頭的線圈通上電流時,根據右手螺旋定則,會產生方向指向右的外加磁感應強度 B(如粗箭頭方向所示),而中間的轉子會盡量使自己內部的磁力線方向與外磁力線方向保持一致,以形成一個最短閉合磁力線回路,這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。
    順便提一句,有人曾經提到說不太理解這句話的含義:“當轉子磁場方向與外部磁場方向垂直時,轉子所受的轉動力矩最大”。注意這里說的是“力矩”最大,而不是“力”最大。誠然,在轉子磁場與外部磁場方向一致時,轉子所受磁力最大,但此時轉子呈水平狀態,力臂為 0,當然也就不會轉動了。當轉子轉到水平位置時,雖然不再受到轉動力矩的作用,但由于慣性原因,還會繼續順時針轉動,這時若改變兩頭螺線管的電流方向,如下圖所示,轉子就會繼續順時針向前轉動,見圖 1-5 所示:

    圖片2.png

    如此不斷改變兩頭螺線管的電流方向,內轉子就會不停轉起來了。改變電流方向的這一動作,就叫做換相(commutation)。這里需要注意的是:何時換相只與轉子的位置有關,而與轉速無關。

    三、三相六臂全橋全橋驅動電路原理

    為了清楚地說明問題,我們先將原圖作一些簡化:

    圖片3.png

    如上圖所示,Q1 到 Q6 為功率場效應管,當需要 AB 相導通時,只需要打開 Q1, Q4 管,而使其他管保持截止。此時,電流的流經途徑為:正極→Q1→線圈 A→繞組B→Q4→負極。這樣,六種相位導通模式:AB, AC, BC, BA, CA, CB分別對應的場效應管打開順序為Q1Q4, Q2Q2,Q3Q2, Q3Q6, Q5Q6, Q5Q4。

    每個場效應管旁邊還并聯著一個二極管;圖2-2采用的是H_PWM--L_ON方式來驅動的,也就是上臂采用PWM信號控制,而下臂 常開的一種驅動方式。比如在AB相導通時,單片機給Q1的柵極是PWM信號,而給 Q4 的柵極是常開信號,這樣你就可以通過控制 Q1 輸入端的 PWM 信號占空比來控制驅動電機的有效電壓。此時A端和B端的電壓波形如圖 2-3 的圓圈中所示;現在問題來了,A相的電壓是可以突變的,但是由于電感的作用,流經AB線圈的電流是不能突變的。線圈由于自身電感的作用產生極高的瞬時反電動勢;而擊穿元器件。所以這時候二極管的作用就來是在PWM信號的低電平期間,電流是按照圖2-4所示的箭頭路徑續流的。由于負極端電位強制為零,二極管有一個正向壓降,A點的電壓就可以在瞬間降到比零略小的值,與圖2-3的實驗結果相吻合。

    圖片4.png

    圖片5.png

    六步法對應的定子線圈和轉子磁極示意圖:AC->AB->CB->CA->BA->BC。

    圖片6.png

    對應的電路控制示意圖:

    圖片7.png

    四、反電勢過零檢測電路

    這里采用的是三通道的運算放大器處替代霍爾作換相檢測:

    圖片8.png

    各個信號對應的波形:

    圖片9.png

    五、驅動方式

    電機正常啟動一般分為兩個步驟拖動和驅動;拖動指的是啟動前不知道轉子在磁場中的位置,直接按照6步驟通電帶動轉子旋轉起來;驅動指的是電機轉起來后檢測過零點反電動勢啟動電機;
    拖動6步順序與驅動6部順序一致如下表:U(A)、V(B)、W(C)相開關順序以及對應的換向信號;
    正轉步驟:

    圖片10.png

    每個換相信號UVW波形:

    圖片11.jpg

    U(A)、V(B)、W(C)相開關順序以及對應的換向信號:(反向旋轉)

    圖片12.png

    圖片13.jpg

    下面是以英銳恩EN8F1812單片機開發的例程,程序如下:

    圖片14.png

    每次換臂的時間與PWM占空比設置如下:

    圖片15.png

    驅動例程

    圖片16.png

    下圖是用EN8F1812開發的驅動實驗板子:

    圖片17.jpg

    項目需要MCU資源及腳位分配:

    圖片18.jpg

    下面是實測波形圖,粉色:U相;青色:    V相;黃色:W相;藍色:U相上臂。
    占空比:24.5%,轉速:8160

    圖片19.jpg

    占空比:80.0%,轉速:27480

    圖片20.jpg

    占空比:55.0%,轉速:19080

    圖片21.jpg

    U、V、W相感應電壓和中心電壓:

    圖片22.jpg

    圖片23.jpg

    外力轉動電機時的各相感應電壓的波形:

    圖片24.jpg

    反轉狀態下,調速開關電壓5.0V,(3.2V)下,3相的波形:

    圖片25.jpg

    以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的“直流無刷電機無感驅動解決方案”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發,提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。

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