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如图2-1所示#xff0c;是一个简化的内转子无刷直流电机。

我们通过…

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机械角度和电角度4.转子位置获取5.霍尔传感器读取测试6.速度开环控制6.1

PWM设置6.2死区时间

BLDC的反电动势一般是梯形的反电动势所以采用方波控制。

如图2-1所示是一个简化的内转子无刷直流电机。

我们通过控制ABC三相的导通顺序来产生不同的磁场使电机的转子转动。

图2-1

对于ABC三相我们每次选取其中两相来导通那么总共有6种排列组合的方式如图2-2所示。

图2-2

步骤A相B相C相第一步正负悬空第二步悬空负正第三步负悬空正第四步负正悬空第五步悬空正负第六步正悬空负

当电机转第六步的时候再循环第一步到第六步这样电机就顺时针转了起来如果要逆时针旋转那么就反过来从第六步开始。

当然实际使用的过程中电机转子的初始位置我们是不知道这里只是一个举例说明六步换向的控制原理。

另外电机的速度也不是由换向频率来决定的。

因为换向使一个被动的动作只有转子到达了某一位置我们才可以进行换向来促使转子到达下一个位置如果想要控制电机转速就需要控制电流两相之间的电压从而控制磁场强度转子受到的作用力来控制电机的速度。

机械角度和电角度

机械角度就是电机实际的角度一圈是360°。

而对于电角度的个人理解是一个定子上电压电流变化一个周期为360°。

电角度机械角度*PP为电机极对数。

在六步换向控制电机的过程中六步换向一个周期经过的电角度是360°A相的电压如图2-3所示在一个周期中正电压的持续周期时间是120°悬空持续的时间是120°负电压的持续时间是120°。

图2-3

在进行六步换向的过程中我们需要确定当前转子的位置来对ABC相进行控制。

在有感控制中通过霍尔原件来确定转子的位置在无感控制中是根据反电动势来判断电机的位置。

霍尔传感器在电机中一般有两种安装方式一种是三个传感器间隔120°电角度一种是三个传感器间隔60°电角度安装。

这样安装可以保证在六步换向的一个周期中每一步对应的传感器编码不一样我们可以根据传感器的编码来确定转子是否到达位置从而进行换向三个相隔120°电角度的霍尔传感器在一个周期中的编码如图2-4所示。

关于下图的理解在一个六步换向的周期中每个相都会经历一个从正电压—悬空----负电压—悬空的一个过程。

假设正电压的时候该相上是N极它吸引转子的一个S极过来并推走当前的N极直到S与该相正对上此时它悬空然后另外两相通电将S极转走S极转走后该相变为负电压产生S极将转子的下一个N极吸引过来此时它再悬空另外两相通电将N极转走。

在这个过程中它经历了转子一个完整的N极和S极。

那么三个霍尔传感器也会经历一个N极和S极。

又因为三个传感器相差120°的电角度所以b传感器的高电平延时a传感器120°c传感器的高电平延时b传感器120°。

因此我们可以看到在一个六步换向周期中abc组成的编码有6种我们可以根据编码器的值来判断电机换向的时机。

图2-4

上图的意思是当霍尔传感器的值是001的时候我们需要A相悬空C相正电压B相负电压随着电机转动当检测到霍尔传感器的值变为101的时候就需要A相正电压B相负电压C相悬空因此类推进行六步换向。

需要注意的是如果电机在六步换向过程中如果保持位置不变的话此时电路中的电能将只能转换为热能不能转换为机械能而我们的电机绕组时候的是漆包铜线其内阻非常的小电流就会非常的大这将会产生大量的热而导致电源或者电机被烧毁。

5.霍尔传感器读取测试

霍尔传感器的读取电路图很简单如图2-6所示三个上拉电路GPIO设置为输入模式就可以了

图2-6

能够读取到霍尔传感器的数据后就可以对电机进行六步换向控制了电机三相控制的逆变电路如图2-7所示。

图2-7

如图所示导通Q1和Q5其他都不导通那么电流将从Q1流经U相再从V相流到Q5同理导通Q1Q6Q2Q4Q2Q6Q3Q4Q3Q5来驱动电机可以通过PWM来控制电机的速度。

6.1

PWM-ON型在控制过程中上下桥臂导通的120°电角度内前60°保持恒通后60°使用PWM

ON-PWM在控制过程中上下桥臂导通的120°电角度内前60°使用PWM后60°保持恒通

H_PWM_L_ON型在控制过程中上桥臂使用PWM下桥臂保持恒通

H_ON_L_PWM在控制过程中上桥臂保持恒通下桥臂使用PWM控制

2-8

在实际控制过程中不同的控制方式效果不同我们需要尝试多种控制效果然后选择最佳的一种方式。

本次测试PWM使用的频率为20Khz.一般选用16Khz以上20KHz左右的PWM因为人类能够听到的声音一般是16Khz以下在16Khz以下的时候人类就会慢慢听到噪声PWM的频率也不能过高过高会导致电机转矩降低另外也要注意满足MOS管的开关频率。

6.2死区时间

在控制过程中还需要注意不能使上下MOS管同时导通这样会导致短路。

MOS的关闭需要一个时间因此在进行上下管开关切换的时候需要一个延时这个延时就是死区时间。

如图2-9所示是我使用的MOS管的硬件手册。

td(on)是开启的延时tr是电流上升的时间td(off)是关闭的延时tf是电流下降的时间。

开启总时间为td(on)tr关闭的总时间是td(off)tf所以死区的最短时间是td(off)tf-tr-td(on),加上死区时间后MOS管关闭完正好另一个MOS管刚刚开启。

实际使用中死区时间通常设置的比计算的多一些。

图2-9

在实际应用中驱动电路可能还有别的一些芯片因为单片机的引脚可能不足以驱动MOS管。

我使用的板子在MOS管的前一级还带了一个MOS管栅极驱动芯片其内部自带死区控制电路。

其硬件手册如图2-10所示可以看出其高端开启时间大于低端关闭时间低端开启时间大于高端关闭时间。

开启时间与关闭时间相差了大约85ns为了保险起见我们也可以在定时器中再设置一个死区时间。

图2-10

源码链接https://github.com/IJustLoveMyself/MotorControl