標(biāo)題: 驅(qū)動(dòng)你的無(wú)刷電機(jī) [打印本頁(yè)]
作者: 陳qing    時(shí)間: 2018-10-25 15:29
標(biāo)題: 驅(qū)動(dòng)你的無(wú)刷電機(jī)
前言：
    有關(guān)本文所談?wù)摰臒o(wú)刷電機(jī)內(nèi)容，只涉及低速飛行類航模電調(diào)的小功率無(wú)傳感器應(yīng)用，講解的理論比較淺顯易懂，旨在讓初學(xué)者(象筆者本人)能夠?qū)o(wú)刷電機(jī)有一個(gè)比較快的認(rèn)識(shí)，掌握基本原理和控制方法，可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到應(yīng)用目的。理論性的內(nèi)容涉及模擬電路知識(shí)、基礎(chǔ)電子線路，理論性強(qiáng)的關(guān)鍵內(nèi)容會(huì)在文中用圖表的形式加以說(shuō)明。
    因本人水平有限，文中可能會(huì)有錯(cuò)誤的地方，歡迎批評(píng)指正，謝謝!  
開門見山：
    在講解無(wú)刷電機(jī)的無(wú)霍爾傳感器(以下簡(jiǎn)稱無(wú)感)應(yīng)用原理前，本文假設(shè)讀者己對(duì)有感無(wú)刷電機(jī)的工作原理有所了解。

1．三相驅(qū)動(dòng)橋

    上圖為無(wú)刷電機(jī)的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路，使用六個(gè)N溝道的MOSFET管(Q1～Q6)做功率輸出元件，工作時(shí)輸出電流可達(dá)數(shù)十安。為便于描述，該電路有以下默認(rèn)約定：Q1/Q2/Q3稱做驅(qū)動(dòng)橋的“上臂”，Q4/Q5/Q6稱做“下臂”。
無(wú)刷電機(jī)的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路
    圖中R1/R2/R3為Q1/Q2/Q3的上拉電阻，連接到二極管和電容組成的倍壓整流電路(原理請(qǐng)自行分析)，為上臂驅(qū)動(dòng)管提供兩倍于電源電壓(2×11V)的上拉電平，使上臂MOSFET在工作時(shí)有足夠高的VGS壓差，降低MOSFET大電流輸出時(shí)的導(dǎo)通內(nèi)阻，詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考MOS管DataSheet。
    上臂MOS管的G極分別由Q7/Q8/Q9驅(qū)動(dòng)，在工作時(shí)只起到導(dǎo)通換相的作用。下臂MOS由MCU的PWM輸出口直接驅(qū)動(dòng)，注意所選用的MCU管腳要有推挽輸出特性。
    驅(qū)動(dòng)橋全部選用N溝道MOSFET的好處：

    大電流N溝道MOS可供選擇的型號(hào)眾多，貨源充足便于購(gòu)買，使用的MOSFET類型減少，間接降低采購(gòu)元件的難度。
    在圖1中，上臂MOS管經(jīng)過(guò)Q7/Q8/Q9驅(qū)動(dòng)，邏輯電平和下臂MOS剛好相反，這樣的好處是，MCU上電時(shí)I/O默認(rèn)為1，上臂MOS不會(huì)導(dǎo)通。只有下臂MOS導(dǎo)通，因此不會(huì)有電流經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)橋，消除了潛在電路隱患。

    C8是整個(gè)電調(diào)的電源濾波電容，使用中一定要接上，否則無(wú)刷電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)疊加在電源上不能被濾除，由倍壓電路整流后的電壓高達(dá)30V左右，己接近MOSFET的VGS上限，可能會(huì)損壞MOSFET。

2．反電動(dòng)勢(shì)波形

    上圖所示為無(wú)刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的理想反電動(dòng)勢(shì)波形，紅線標(biāo)出來(lái)的是反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。兩個(gè)虛線間是60度電氣角度，不要理解成電機(jī)的機(jī)械角度。常用航模電機(jī)屬于無(wú)刷三相六拍電機(jī)，每個(gè)電周期有六個(gè)狀態(tài)。星形接法中(Y形)在每一時(shí)刻電機(jī)的通電線圈只有兩相，另一相線圈懸空，懸空的線圈會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)來(lái)源于電機(jī)磁體旋轉(zhuǎn)而造成本線圈切割磁力線和另兩相線圈通電時(shí)的互感。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬時(shí)角速度呈梯形波動(dòng)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)的呈梯形變化。但這些不是重要的，我們需要的只是準(zhǔn)確的檢測(cè)出過(guò)零點(diǎn)，為換相做準(zhǔn)備�？瓷蠄D中的第一個(gè)電周期過(guò)零點(diǎn)數(shù)目，三個(gè)線圈在時(shí)間軸上共出現(xiàn)6次過(guò)零點(diǎn)，和電周期的節(jié)拍數(shù)目相同。我們所要做的是，只要檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)，就需要給電機(jī)換相了。

3．過(guò)零檢測(cè)電路

    用比較器檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)的基本電路接法，電機(jī)的相線(A/B/C)接比較器的同相輸入端，比較器的負(fù)端接相線A/B/C的虛擬地電位。虛擬地電位由A/B/C相經(jīng)過(guò)電阻隔離形成，詳細(xì)原理可參考相關(guān)資料。相線上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓以虛擬地為參考點(diǎn)，做正負(fù)周期性的變化。在每次比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，說(shuō)明檢測(cè)到了過(guò)零點(diǎn)，接下來(lái)需要做換相動(dòng)作了。A/B/C三相分別需要一個(gè)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，也可用電子開關(guān)電路進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，A/B/C相共用一個(gè)過(guò)零檢測(cè)電路，這通常在集成了模擬外設(shè)的MCU內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

4．線圈換相的順序
    關(guān)于電機(jī)運(yùn)行的換相步驟，需嚴(yán)格按照以下的換相順序如圖4所示，應(yīng)用中需要調(diào)換電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只需把電機(jī)的任意兩根相線對(duì)調(diào)即可。


5. 過(guò)零點(diǎn)的30度電角度延遲

    理想的反電動(dòng)勢(shì)波形和霍爾傳感器輸出波形對(duì)比圖，從圖中可看出，反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)和霍爾傳感器的波形翻轉(zhuǎn)同步，如果用此反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)進(jìn)行程序換相會(huì)獲得和有感無(wú)刷電機(jī)一樣的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

    實(shí)際的反電動(dòng)勢(shì)波形和霍爾波形對(duì)比圖如上所示，紅線為霍爾的輸出波形，黑色虛線是反電動(dòng)勢(shì)，紫色豎線為反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，時(shí)間軸的方向?yàn)閺淖笸�，可以得知反電�?dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)比霍爾傳感器的輸出波形提前了半個(gè)電節(jié)拍，即30度電角度。為了能夠在正確的時(shí)刻才換相，需要在檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)后延遲30度電角度之后，才進(jìn)行換相。究竟延遲多長(zhǎng)時(shí)間才夠30度時(shí)間呢?需要對(duì)相鄰兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是會(huì)變化的，相應(yīng)的電周期也會(huì)變化。用定時(shí)器得到計(jì)時(shí)值后除以2就是當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速下的30度電角度延遲時(shí)間值，把此時(shí)間值裝入一個(gè)定時(shí)器，并打開該定時(shí)器中斷，等延時(shí)完畢進(jìn)中斷即可完成電機(jī)換相。

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作者: gceng04    時(shí)間: 2019-5-6 09:55
連驅(qū)動(dòng)IC都省掉了？
作者: mcu_mpu    時(shí)間: 2019-6-3 18:21
好東西。



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