BLDC驱动入门最简教程
时间:2021-08-19 16:34:21
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[导读]大家好,我是小麦,最近这段时间,成功地做了一个项目,是基于BLDC的无感方波驱动的一个产品,在这里顺便总结和分享一下BLDC的驱动原理。有刷直流电机BLDC(brushlessDCelectricmotor)全称是无刷直流电机。在介绍BLDC之前,这里就不得不说一下有刷直流电机,...
BLDC
的无感方波驱动的一个产品,在这里顺便总结和分享一下BLDC的驱动原理。有刷直流电机
BLDC(brushless DC electric motor)全称是无刷直流电机。在介绍BLDC之前,这里就不得不说一下有刷直流电机,然后带着问题再看什么是直流无刷电机。结构
有刷直流电机发明于 19 世纪,现在应用仍然很普遍,相比较于无刷直流电机,它的结构会更加复杂,通常电机内部结构的组件都包括转子和定子;- 转子就是旋转的;
- 定子就是固定的;
原理
小时候拆过的小伙伴请举手,好,言归正传,下面是一个简单的两极有刷直流电机的模型,我们来简单分析一下它的旋转原理;首先这里的转子是励磁绕组,正如前面提到的,就是线圈绕组,但是它如何通过交变电流呢,正是通过这个换向器,图1 中金黄色的器件,假设我们给线圈通电,这时候会在电枢周围产生磁场。由于同极相斥,电枢的左侧被推离左侧,电枢的右侧被拉向右侧,从而导致转子旋转。这里电枢是转子,而永磁体是定子,其中用蓝色表示N极,红色表示S极;电枢继续旋转。当电枢与水平垂直时,即电枢产生的磁场与永磁体产生的磁场垂直,换向器反转改变了通过线圈的电流方向,使磁场反转。因此转子可以继续旋转。重复以上过程,转子就开始旋转了,如下图所示;其实最简单的运行原理看下图就很清晰了,如果我们换一个更大的电池(电压更高),这个线圈可能会转的更快;所以有刷直流电机可以很简单地转动起来,因为电机内部已经帮你做好了换向的工作,所以通常可以进行升压和降压调速,通常这里的做法是PWM,加上功率元器件,实现弱电控制强电,这有一部分属于电力电子的范畴了。最常经常使用的就是H桥驱动电路了,可以简单的控制电机的正转和反转,还能通过控制PWM的占空比进行调速,整体电路如下所示;有刷直流电机虽然换相简单,控制简单,但是结构相对复杂,并且在换相的时候,容易产生火花。大家想象一下,把插头插入插座的时候,是不是会产生火花?是的,就是这种换相开关瞬间产生的火花,可能会损坏电刷,所以它的维护成本就直线上升了。好了,差不多搞清楚直流有刷电机之后,可以看看直流无刷电机到底和它有什么相同和不同的地方呢?
无刷直流电机
直流无刷电机从结构上,比直流有刷电机少了电刷和换向器,所以内部结构无法自己完成换相的操作,因此就需要外部驱动信号进行换向。这里我们还是从内部结构作为切入点,对其驱动时序进行分析,结果就会变得清晰起来。结构
如下图所示,在四轴飞行器或者一些航模上,都能看到这种类型的直流无刷电机,它通常有三条线,U
,V
,W
,当然航模上还需要配置一个电调(ESC)——作为电机的驱动器。这里的电调往往有两种驱动方式,六步方波,或者FOC驱动,下面主要对六步方波驱动方式进行分析。我们先看一下直流无刷的内部结构,通常是这样的,这里由定子和转子构成,是电枢绕组,转子是永磁体;两对极电机,分别是U1
,V1
,W1
,U2
,V2
,W2
,后面我们会进一步进行介绍。具体如下图示;图中的电机的定子是电枢绕组在通过交变电流的时候,会产生磁场,电枢的材料是铁芯,可以导磁,这样可以增大磁场的强度,磁场的方向取决于电流的方向,具体可以根据右手螺旋定则来判断,如下图所示;换相原理
这里我们简单介绍一下转子旋转的过程,即无刷直流电机的换相原理:- 首先我们对电枢绕组施加适当大小的电流,线圈将产生一个磁场,该磁场将吸引转子的永磁体;
- 如果我们一个接一个地激活每个线圈,这样可以产生一个旋转的磁场,由于永磁体和电磁体之间的力相互作用,转子将在旋转的磁场作用下继续旋转。
其实电机内部一般可以等效成一个星型的连接方式,
A
,B
,C
三相的中性点连接在一起,外部通过MOSFET或者IGBT组成功率开关元器件,进行控制,所以这里也可以说明无刷直流电机,通常有U
,V
,W
三条线引出来。两两通电的其中一种状态如下图所示,此时的状态可以标注为a
,b-
,c0
,下面我们会进一步进行解释;首先规定一下我们的驱动电路的相应符号:- 使用
SW1
和SW2
作为一个上下管驱动U
,或者是a
; - 使用
SW3
和SW4
作为一个上下管驱动V
,或者是b
; - 使用
SW5
和SW6
作为一个上下管驱动W
,或者是c
;
,下管打开标记为-
,上下管都不开标记为0
。最终让转子朝一个方向旋转的驱动时序应该是这样的:a
,b-
,c0
a
,b0
,c-
a0
,b
,c-
a-
,b
,c0
a-
,b0
,c
a0
,b-
,c
120°
。例如A相的六步相序需要比B相超前120°,B相需要比C相超前120°,整体应该如下图所示;下面是我实际过程中测试的上管的方波驱动信号,可以和A相,B相,C相的信号对应起来。闭环控制
实现开环运行之后,就要进行闭环控制了,首先有一点需要说明的是,前面的六步PWM时序,并没有根据转子的实际位置进行磁场的切换,所以可能出现的情况,就是失步,这个有点类似步进电机。结论就是实际磁场旋转的速度可能远快于转子旋转的速度,导致磁场的旋转速度和转子不同步,所以就造成了失步。如果这里引入转子的位置反馈量,就可以完美的解决这个问题,所以通常会加入霍尔传感器来检测实际的转子位置。转子处于不同位置的时候霍尔传感器会产生相应的信号,并且还可以根据霍尔信号计算转速,作为后面速度闭环的反馈值,霍尔信号具体如下图所示;一般来说增加了霍尔传感器,在成本和电机的结构复杂程度上都会大大增加,所以,这里可以通过检测每一相的反电动势(Back EMF
),来进行位置的估算以及速度的计算。无刷直流电机的反电动势是梯形反电动势,具体如下图所示;无感方波的驱动方式难点在于启动和过零点的检测上,通常启动可以使用三段式启动的方式,即转子预定位,开环强拖,开环切闭环,这三个过程。另外还可以进行高频注入的方式确定转子的初始位置,然后直接进行启动,在过零点的检测和换相存在一定的难度。结论
本文简单介绍了有刷直流电机和无刷直流电机的结构和原理,以及各自的优势。进一步介绍了无刷直流电机的六步方波驱动原理,简单提及了闭环控制中一些注意点。作者水平有限,文中难免存在不足和错误之处,请各位大佬不吝赐教。好的,这期就先到这里,我们下期再见。参考:《无刷直流电机控制应用-基于STM8S系列单片机 - 李家庆》https://en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor—— The End ——
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