专题7-直流无刷电机控制课件

专题7直流无刷电机控制专题7直流无刷电机控制1直流有刷电机工作原理磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。励磁绕组——容量较小的电机是用永久磁铁做磁极的。容量较大的电机的磁场是由直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励磁电流If。电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。电枢：铁心、电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢。直流有刷电机工作原理磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产2有刷电机励磁

有刷电机定子有两个磁极，小电机直接使用永磁体做励磁磁场，大功率电机用励磁线圈产生的电磁铁。有刷电机励磁

有刷电机定子有两个磁极，小电机直接使用永磁体3直流减速电机驱动设计使用三极管或者MOS管搭建的H桥驱动电路，可以实现有刷电机速度和方向控制。直流减速电机驱动设计使用三极管或者MOS管搭建的H桥驱动电路4直流无刷电机

无刷电机顾名思义就是没有电刷，有刷电机是因为线圈（转子）是转的才被迫用刷子和换向器，来保证线圈通电和不停换向。而无刷电机线圈（定子）部分是不转的，转的是由磁铁部分组成的转子，所以就无需电刷了。直流无刷电机

无刷电机顾名思义就是没有电刷，有刷电机是因为5直流无刷电机直流无刷电机6无刷电机和有刷电机比较无刷电机和有刷电机比较7无刷电机和有刷电机比较无刷电机和有刷电机比较8无刷电机一般驱动电路无刷电机一般驱动电路9BLDC与PMSMBLDC：无刷直流电机（BrushlessDirectCurrent）PMSM：永磁同步电动机（Permanent-MagnetSynchronousMotor）二者结构上直接观察无明显区别，想要区分，看感应电动势，PMSM感应电动势波形为正弦波，BLDC感应电动势波形为梯形波；从控制上由明显区别。造成感应电动势的不同的的原因是磁钢磁场的分布和线圈缠绕的方式不同BLDC与PMSMBLDC：无刷直流电机（Brushless10BLDC与PMSMBLDC是有刷直流机原理，只是反过来让磁钢转动，用电力电子元件取代换向器，开关频率低，转矩脉动大。永磁同步是同步发电机的原理，开关频率高，转矩脉动小。PMSM与BLDC相对最大的好处就是转矩脉动小，也就是说电机输出的力量基本没有什么波动，始终保持在一个力量。PMSM是高端电机的首选，结构复杂，价格比BLDC高。BLDC电机PMSM电机固定定子线圈和活动转子永磁体固定定子线圈和活动转子永磁体电源电压呈梯形电源电压呈正弦形式反电动式呈梯形反电动式呈正弦形式每过60度，定子磁链位置会换向定子磁链位置连续变化铁损较高铁损较低控制算法相对简单控制算法复杂BLDC与PMSMBLDC是有刷直流机原理，只是反过来让磁钢11BLDC工作原理及硬件设计BLDC电机工作的基本原理通电导体产生磁场，特别的，通电线圈的磁场和磁体类似磁体异性相吸、同性相斥，通电线圈和永磁体之间同样存在这样的现象BLDC工作原理及硬件设计BLDC电机工作的基本原理12BLDC工作原理及硬件设计无刷直流电机利用了通电线圈和永磁体的相互作用原理，BLDC内部结构实物图见图BLDC工作原理及硬件设计无刷直流电机利用了通电线圈和永磁体13BLDC工作原理及硬件设计根据实物图，我们可以画出无刷直流电机的逻辑结构，见图BLDC工作原理及硬件设计根据实物图，我们可以画出无刷直流电14BLDC工作原理及硬件设计为简化分析，可以做成直流无刷电机的简化逻辑结构，见图BLDC工作原理及硬件设计为简化分析，可以做成直流无刷电机的15BLDC工作原理及硬件设计这样，通电的线圈会产生各自的磁场，他们的合成磁场满足矢量合成的原则，见图BLDC工作原理及硬件设计这样，通电的线圈会产生各自的磁场，16BLDC工作原理及硬件设计直流无刷电机的6拍工作方式，线圈产生旋转磁场，见图BLDC工作原理及硬件设计直流无刷电机的6拍工作方式，线圈产17BLDC工作原理及硬件设计通过上面的演示过程，我们可以明显看出，想要控制BLDC旋转，根本的问题就是产生这6拍工作方式的电压信号（称为BLDC的六步控制）。举个例子来说明，假定一个BLDC的额定电压为24V，电机三根线就定义为A、B、C：（1）为A接24V、B悬空、C接GND，此时对应图中的①，电机转轴被固定在一个位置；（2）在（1）的基础上，我们修改接线方式，为A接24V、B接GND、C悬空，此时对应图中的②，电机转轴就在（1）基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；（3）在（2）的基础上，我们修改接线方式，为A悬空、B接GND、C接24V，此时对应图中的③，电机转轴就在（2）基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；（4）在（3）的基础上，我们修改接线方式，为A接GND、B悬空、C接24V，此时对应图中的④，电机转轴就在（3）基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；（5）在（4）的基础上，我们修改接线方式，为A接GND、B接24V、C悬空，此时对应图中的⑤，电机转轴就在（4）基础上旋转一个角度，达到另外一个位置；（6）在（5）的基础上，我们修改接线方式，为A悬空、B接24V、C接GND，此时对应图中的⑥，电机转轴就在（6）基础上旋转一个角度，达到另外一个位置。（7）然后又是以（1）方式给电，如此循环，电机就可以转动起来。BLDC工作原理及硬件设计通过上面的演示过程，我们可以明显看18BLDC工作原理及硬件设计BLDC驱动硬件设计有了上面的原理分析，现在想让BLDC旋转起来的一个问题就是如何任意的控制A、B、C线的电压，参考之前的直流减速电机驱动设计，就会马上想到可以用三个半桥（6个桥臂：3个上桥臂+3个下桥臂）构成的一个三相逆变器，这里的每个桥臂都有一个电子开关，电子开关可以选择是功率MOSFET或者IGBT，IGBT用于超大功率电机驱动。最终搭建起来的电路见图：BLDC工作原理及硬件设计BLDC驱动硬件设计19BLDC工作原理及硬件设计我们可以让STM32控制A+、A-、B+、B-、C+以及C-这六个MOS管的通断情况就可以让电机旋转起来。当然，STM32引脚直接接入到MOS管引脚控制是不行的，因为要使MOS管导通需要一定的条件，直接使用STM32引脚电平是达不到这个条件的，一般MOS管控制是需要专用的驱动电路来实现的，使用专用的MOS管驱动IC来实现。BLDC工作原理及硬件设计我们可以让STM32控制A+、A-20BLDC工作原理及硬件设计上面是解决了绕组电压控制，还有一个问题就是究竟什么时候要给哪个绕组正电压、给哪个绕组负电压以及哪个绕组悬空，就是具体当前时刻要选择图中“哪一步”？所以，BLDC驱动还需要一个非常重要的参数，只有知道了这个参数信息我们才有可能正常的控制BLDC旋转，这个重要参数就是转子的位置信息，只有知道了当前转子所处位置，我们才能很好的控制电机旋转，如果毫无目的根据图中顺序为绕组给电，最终只能看到电机乱转。转子的位置信息一般可以为2种方法取得，一种是有霍尔传感器模式，另外一种是无传感器模式。BLDC工作原理及硬件设计上面是解决了绕组电压控制，还有一个21霍尔传感器模式霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使得正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由E.H.Hall在1879年发现。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它可以有效的反映通过霍尔原件的磁密度，见图霍尔传感器模式霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动22霍尔传感器模式霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使得正负电荷分别积聚到导体的两侧。这在薄而平的导体中尤为明显。电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。产生这一电势差的过程就叫做霍尔效应，由E.H.Hall在1879年发现。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它可以有效的反映通过霍尔原件的磁密度，见图霍尔传感器模式霍尔效应原理：磁场会对位于其中的带电导体内运动23霍尔传感器模式有霍尔传感器的BLDC电机其霍尔传感器安装示意图见图霍尔传感器模式有霍尔传感器的BLDC电机其霍尔传感器安装示意24霍尔传感器模式有霍尔传感器的BLDC电机其霍尔传感器安装示意图见图注：机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示；电角度是指磁场的旋转角度，由Θe表示。当转子为一对极时，Θm=Θe；当转子为n对极时，n*Θm=Θe。霍尔传感器模式有霍尔传感器的BLDC电机其霍尔传感器安装示意25霍尔传感器模式当霍尔在和电机的转子做相对运动时，会随着转子下磁密度的变化，产生变化的信号，见图霍尔传感器模式当霍尔在和电机的转子做相对运动时，会随着转子下26霍尔传感器模式电机按一定方向转动时，3个霍尔的输出会按照6步的规律变化，见图霍尔传感器模式电机按一定方向转动时，3个霍尔的输出会按照6步27霍尔传感器模式结合之前介绍的BLDC六步控制，在每个霍尔信号都对应一个BLDC控制步，使得BLDC旋转一个角度，这样可以制作下表：特别注意，一般BLDC厂家都会给出一个霍尔传感器和绕组得电情况对应关系表，不一定跟上面两个表都完全对应一致，但是原理分析都是一致的。霍尔传感器模式结合之前介绍的BLDC六步控制，在每个霍尔信号28霍尔传感器模式上面两个表的对应意思就是：当检测到霍尔传感器信号为某个值时，控制六个桥臂对应的开关状态。例如，我们想让电机正转，就用表格中的对应信息，假设STM32检测到当前的霍尔信号为：霍尔#1、霍尔#2、霍尔#3分别对应为1、0、1，那么此时我们应该让STM32控制A-和C+桥臂导通，而其他桥臂都关断，在A-和C+桥臂导通情况下，电机的转子会向着一个位置旋转；在旋转到达目标位置之前，霍尔传感器信号就会发生改变，此时变为：霍尔#1、霍尔#2、霍尔#3分别对应为0、0、1，好了，此时我们马上把C+桥臂关断，而把B+桥臂，即此时A-和B+桥臂导通，其他桥臂关断，电机就又向旋转一个角度。这样，如此循环下去，电机就可以不停的旋转了。此时，有些人肯定想问：如果我不管霍尔信号变化，就按中任一种其中给电，电机会怎样的呢？电机会固定在一个位置，实际上，这种情况是很危险的，我们知道，绕组都是漆包线铜丝，电阻非常小，当总是给电时候，电路中电流就非常大，严重情况，烧毁电机或者电源。特别的，如果直接导通A+和A-这两桥臂，或者B+和B-这两桥臂，或者C+和C-这两桥臂会出现什么情况呢？结果就是电源必烧无疑，这些情况相当于电源正负极直接短路，所以这要求我们在接线或者电路设计是非常小心！！！霍尔传感器模式上面两个表的对应意思就是：当检测到霍尔传感器信29霍尔传感器模式无刷电机、电机驱动电路和控制器组成的系统见图霍尔传感器模式无刷电机、电机驱动电路和控制器组成的系统见图30BLDC速度控制一般情况下，我们不仅仅要让电机可以旋转，还必须控制它的速度，类似之前讲过的直流减速电机控速方法，BLDC电机控速也是用到脉冲宽度调制技术（PWM），见图BLDC速度控制一般情况下，我们不仅仅要让电机可以旋转，还必31BLDC速度控制我们先看霍尔传感器信号情况为：霍尔#1、霍尔#2、霍尔#3分别对应1、0、1情况（其他五种情况都是相同原理），我们先看前面表格（反转情况）可以知道此时应该是B+和C-导通，其他桥臂关断，并且此时是100%导通B+和C-这两个个桥臂，不用PWM控制其导通时间，那么此时绕组中电流非常大，转子转动速度非常高。显然这种情况不是我们在实际上应用用常常用到的，在实际生产中，我们总是需要控制电机的转速。现在引入PWM控制后什么情况呢？PWM中一个常用到的名词就是占空比，就是高电平时间占总周期时间的比例，这样我们将B+和C-直接导通代换成高频率（一般10几KHz或者几十KHz）的PWM，保证B+和C-的PWM频率相等，并且周期起始位置相同，这样我们可以非常方便调整占空比的大小，来控制B+和C-这两臂的实际导通时间，加上电机绕组本身是感性负载，这样整体加在电机绕组上的电压就是0V到电源正电压（24V）之间，最终实现控制电机转动速度。综上，通过控制导通的两个桥臂的PWM占空比我们可以非常方便控制转速了BLDC速度控制我们先看霍尔传感器信号情况为：霍尔#1、霍尔32BLDC速度控制霍尔传感器信号情况为：霍尔#1、霍尔#2、霍尔#3分别对应1、0、1情况为例，图中是同时使用PWM控制B+和C-桥臂，称之为pwm-pwm型调制方式，实际上，还是有另外几种调制方式，比如H_on-L_pwm型、H_pwm-L_on型、pwm_on型和on_pwm型等等不同的调制方式，不同控制方式在性能上有不同的效果，当然针对实际的应用场合可以尝试多种调制方式，然后选择最优方式。BLDC速度控制霍尔传感器信号情况为：霍尔#1、霍尔#2、霍33BLDC驱动电路电机驱动设计BLDC驱动电路电机驱动设计34BLDC驱动电路首先是六个桥臂的驱动，我们驱动板选择的MOS管型号是：IRF540NS，贴片封装，如有需要可以自己加散热片。IRF540NS的特色参数见图：IR的HEXFET功率场效应管IRF540NS采用先进的工艺技术制造，具有极低的导通阻抗。IRF540NS这种特性，加上快速的转换速率，和以坚固耐用著称的HEXFET设计，使得IRF540NS成为极其高效可靠、应用范围超广的器件。简单来说，IRF540性能优越。BLDC驱动电路首先是六个桥臂的驱动，我们驱动板选择的MOS35BLDC驱动电路然后，MOS管驱动IC这里用到IR2110S。R2110芯片体积小(SOIC-16)，集成度高(可驱动同一桥臂两路)，响应快(ton/tof=120/94ns)，偏值电压高(<600V)，驱动能力强，内设欠压封锁，而且易于调试，并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电，使得驱动电源路数目较其他IC驱动大大减小。对于BLDC驱动需要6个桥臂，需要用到3片IR2110S来驱动，虽然如此也是仅需要一路10~20V电源，从而大大减小了控制变压器的体积和电源数目,降低了产品成本,提高了系统的可靠性。NMOS管的导通基本条件就是VGS大于一定的阈值电压VGS(th)，IRF540的VGS(th)是4V(最大值)。我们为IR2110S设计的电源电压为15V，IR2110S的低端驱动，即驱动Q6的IRF540，很容易就实现NMOS管驱动条件。对于高端驱动，即驱动Q5的IRF540，就需要“自举电路”的支持，自举电路通俗点就是升压电路，电路中的D7二极管和C13电容用于自举电路，简单来说在该电路中，自举电路的作用是使得IR2110S高端驱动，即IR2110S的第8引脚HO输出信号可以满足大于VGS(th)。BLDC驱动电路然后，MOS管驱动IC这里用到IR2110S36BLDC驱动电路IR2110S芯片的左边部分是控制信号输入，这里我们使用到东芝公司的5M高速光耦：TLP715，它起到信号隔离保护和升压的作用。电机驱动都是大电压大电流，隔离保护控制器是非常有必要的。STM32的引脚电压为3.3V，直接接IR2110S显然不是很好的选择，这里我们选择把3.3V的PWM信号转换成15V的信号，这样根据合适做为IR2110s的输入。IR2110S芯片还有一个关断引脚(SD：shutdown)，用于禁止输出动作，这可以用于紧急情况的保护。BLDC驱动电路IR2110S芯片的左边部分是控制信号输入，37BLDC驱动电路霍尔传感器接口电路设计霍尔传感器接口电路就简单很多，这只做一些简单的上拉和滤波处理，见图。特别的，很多情况下上拉电阻是必须的，这个一般电机厂家有特别的说明。BLDC驱动电路霍尔传感器接口电路设计38电源电路设计这里用到15V和5V电源，考虑到PMSM电机的驱动，我们这里还设计了3.3V电源。15V电源使用线性稳压芯片LM317得到，该芯片最大输入电压为37V，该芯片在正常工作中发热属于正常现象，如有需要可以自行加散热器辅助散热。5V电源由LM2596-5.0芯片得到，3.3V使用AMS1117-3.3得到。电路设计参考图。BLDC驱动电路电源电路设计BLDC驱动电路39总线电压和温度传感器我们的驱动板上还添加了总线电压检测电路和环境温度检测电路，见图，这些都可以起到过压、欠压和高温等有效的保护作用，当然这些都是需要程序编程支持的。BLDC驱动电路总线电压和温度传感器BLDC驱动电路40控制和反馈信号接口设计BLDC控制比较简单，简单控制只需要6根控制线和3根霍尔传感器信号，6根PWM信号控制6个桥臂，还有3根霍尔传感器信号用于反馈转子的位置。BLDC驱动电路控制和反馈信号接口设计BLDC驱动电路4157直流无刷电机(BLDC)引脚说明电机相线（电机粗线）霍尔传感器信号线（电机细线）霍尔传感器电源线（电机细线）UVWHuHvHwH+H-黄绿蓝黄绿蓝红黑黄红黑黄白蓝红黑100410150011011301021106100457直流无刷电机(BLDC)引脚说明电机相线霍尔传感器信号线4257直流无刷电机(BLDC)参数额定电压24VDC额定电流5.9A额定功率100W额定转速2500RPM额定转矩0.38N.M空载电流0.8A空载转速3500RPM相电阻0.415±10%Ω相电感1.24±20%mH极数8（4对极）57直流无刷电机(BLDC)参数额定电压24VDC额定电流543直流无刷电机驱动板与BLDC电机接线说明序号驱动板接口功能说明电机引脚1U霍尔传感器直流无刷电机霍尔传感器接口黄电机细线2V绿(白)3W蓝45V红5GND黑6U电机接口直流无刷电机动力线黄电机粗线7V绿(红)8W蓝(黑)9VCC外部电源外部24V电源供电，驱动板允许接入电源范围：18~36V直流电源10GND15V电压输出，可以为外部设备供电PMSM电机传感器专用接口霍尔传感器接口电机动力线&电源注意：请使用带电压电流保护的24V电源供电，一般设置电源为24V2A输出，空载时候，电机正常运转时总电流大概是200mA直流无刷电机驱动板与BLDC电机接线说明序号驱动板接口功能说44注意：调试时候严禁直接使用锂电池供电，必须使用带保护的电源供电。注意：45注意：1.调试时候需要把开发板上的跳线帽都去掉，防止信号干扰，无刷电机例程都不需要跳线帽的2.开发板需要单独外部供电，使用USB线或者

外部电源供电，如下图：注意：46直流无刷电机驱动板与YS-F1Pro开发板接线说明序号模块引脚功能说明开发板引脚2U霍尔传感器霍尔传感器接口PC64VPC76WPC815PU_H梯形方波驱动信号梯形方波驱动信号PA816PU_LPB1317PV_HPA918PV_LPB1419PW_HPA1020PW_LPB1522SDShutDown引脚，停机，高电平有效与GND连接或者悬空21GND电源线开发板和驱动板至少需要连接一根GND线。5V电源这里没有用到。GND23GND245V5V其他引脚在本工程中没有使用到。PMSM电机传感器专用接口引脚顺序定义：左上角为1右上角为2左下角为23右下角为24直流无刷电机驱动板与YS-F1Pro开发板接线说明序号模块引47测试方法请阅读main.c文件内容，只有理解了程序才能很好的测试程序按之前步骤接好线后，下载程序，然后直接按下KEY2键电机旋转，可以按下KEY1键进行功能选择，按下KEY2键执行测试方法请阅读main.c文件内容，486步PWM程序实现BLDC驱动最基本就是6步PWM，6步PWM一般使用高级控制定时器生成。我们的BLDC例程一般都是H_pwm-L_on或者H_on-L-pwm的PWM调制方式，这两种方式可以简化为3个PWM输出+3个电平输出控制实现，虽然如此，我们的例程还是直接使用定时器功能，输出6个PWM控制。bsp_BLDCTIM.h文件bsp_BLDCTIM.c文件main.c文件BLDC旋转驱动程序6步PWM程序实现BLDC旋转驱动程序49BLDC驱动实现霍尔传感器接口功能：霍尔传感器一般都是三根线，这三根线接入到定时器的三个输入通道（必须是对应CH1、CH2