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首页无刷直流电机电调设计详解:从基础到实战
"《无感无刷直流电机之电调设计全攻略》是一本深入解析无刷直流电机电调设计的实用指南。该书从基础理论入手,首先介绍了无刷直流电机的基本工作原理,包括左手定则、右手定则(安培定则)、磁回路分析以及内外转子电机的工作机制。作者详细讲解了转矩的理论分析,包括传统绕组结构、转子磁场分布和受力分析,以及换相与调速技术。 在电调硬件设计部分,本书着重于驱动电路的设计,涵盖了电池电压监测、换相控制电路的设计,如六臂全桥驱动电路原理、功率场效应管的选择、电流检测电路和反电势过零检测电路的实现。此外,书中还指导读者如何制作自己的电调线路板,确保电路的稳定性和效率。 软件设计是电调不可或缺的部分,作者详细讲解了电流检测、定时器延时与PWM信号的运用,包括定时器初始化、溢出中断服务程序、不同延时级别和PWM信号的生成。同时,书中涉及了电机启动算法,如Anwerfen启动流程分析,以及上电时MOSFET的自检过程,确保电机能平稳启动。 通信模块是现代电调的重要功能,书中介绍PPM解码、TWI总线通信、串口通信等,便于远程控制和数据交互。还有指令处理函数SollwertErmittlung的编写,实现了电机的精确控制。 这本指南不仅适合电机工程师和技术爱好者,也对电子爱好者深入理解无刷电机电调的原理和实践操作具有很高的参考价值。通过学习,读者将能够掌握无感无刷直流电机电调设计的各个环节,提升实际应用能力。"
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
(e) CA 相通电情形
(f) CB 相通电情形
图 1-15 XXD2212 电机两两通电的 6 种情形(续)
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
1.4 无刷直流电机转矩的理论分析
我们再回到最简单的三相二极内转子电机。以上的磁回路分析方法对于一般的感性认识
来讲是足够了,但如果你翻阅的无刷电机的教材书够多的话,你会发现,几乎没有哪本教材
是采用上面这种结构来说明无刷电机的工作原理的,这些教材中用的都是类似图 1-17 所示
的结构来研究无刷电机的。究其原因,是因为上两小节示例的那种电机绕组结构,从严格上
来说,并不是传统的经典的工业用无刷直流电机的结构,而是属于一种叫做“开关磁阻电机”
(Switched Reluctance Motor)结构的变种(原始的开关磁阻电机的转子上是没有永磁体的)。
由于它的控制方式很类似于无刷直流电机的 6 步二二导通控制方式,所以直接把它当无刷直
流电机来用也没问题。真正的工业用无刷直流电机的定子绕组实物图见图 1-18。顺便说一
句,笔者遍查还施水阁中关于无刷电机的典藏古今中外约十来本(80 年代的书应该算古了
吧,呵呵),愣是没找到专门分析上两节那种电机结构和原理的著作,憾甚。如果哪位高人
知道有相关的文献,还请指点一二,不胜感激。
1. 传统的无刷电机绕组结构
其线圈形状见图 1-16,线圈包围整个转子。电机三相绕组示意图见图 1-17。
图 1-16 磁场中的线圈
图 1-17 电机绕组和转子抽象示意图
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
图 1-17 中为简略示意起见,每相只画出了一个线圈,其实每相应该有 N 匝线圈。其绕
组联结方式为:A’ 、B’、C’端通过星形联结在一起,A、B、C 为电机的三根引出线。其实
物外形见图 1-18。(注意辨别图 1-18 和图 1-12 的绕组形式的区别)
图 1-18 无刷直流电机定子绕组结构(摘自
松晓的blog)
2. 转子磁场的分布情况
绕组形式变成这个样子后,就可以用“左手定则”来分析啦。不过在此之前,还要搞清
楚一件事情,就是在这种绕组结构下,磁感应强度 B 的分布情况。
关于这个问题,在夏长亮的《无刷直流电机控制系统》一书中,开门见山地就讲清楚了,
在此小赞一下,呵呵。现将这段论述摘抄如下:(不要问偶要电子书,没有,本书是从市立
图书馆借的,各位想省点银子的也可以去图书馆借:)
“目前,国内外对无刷直流电机(Brushless DC motor, BLDCM)定义一般有两种:一
种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波无刷电机
则被称为永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor, PMSM);另一种定义则认为
梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。迄今为止,还没有一个公认的
统一标准对无刷直流电机进行准确的分类和定义。本书将采用第一种定义,把具有串励直流
电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷直流电机称为无刷直流电机。”
好了,现在来解释一下上面说的“梯形波/方波”是什么意思。图 1-19 展示了内转子磁
极的磁感应强度 B 的分布情况。我们预定义磁感应强度方向向外为正,从图中可以看出,
在 0°的时候,处于正反方向交界处,磁感应强度为零,然后开始线性增加,在 A 点时达到
最大,然后一直保持恒定值不变,直到 B 点开始下降,到 180°的时候下降到零。然后开始
负向增长,在 C 点处达到负值最大,然后保持恒定负值不变,直到 D 点强度开始减弱,到
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
0°时又回到零。至于 A 点到底在几度的位置,不同的电机不一样。如果 A 非常接近 0°的
位置,上升和下降直线就会非常陡峭,“梯形波”就变成了“方波”。根据右手定则 E=BLV
的公式,在匀速转动下,各绕组产生的反电动势波形也呈梯形波/方波。
图 1-19 转子磁感应强度分布情况
与此类似,上文提到的另一种“正弦波”电机就是一种磁感应强度呈正弦波图形分布的
直流无刷电机,也叫永磁同步电机。这种电机的绕组结构和我们的梯形波电机的绕组结构不
太相同,进而驱动方式也不太相同,需要用到矢量分析法,由于本文只关注于梯形波的无刷
直流电机,故对这种正弦波电机就不展开讨论了。需要研究的朋友可以查看专门文献。
3. 转子的受力分析
同样,我们仿照前面的做法,画出 6 种通电方式情形下,转子的受力情况,这里只用“左
手定则”作一个定性分析。至于定量的计算,我们放到第三章的“启动算法”一小节中讨论。
在下面的图 1-20 中,除了画出了 6 种通电情形外,还画出了 6 个中间过程,这是为了
更清楚地说明问题,同时也与下一节将要讨论的换相内容作一个衔接。
在图 1-20(a)中,AB 相通电,电流处于转子产生的磁场内,根据左手定则,我们判断线
圈 AA’中的上半部导线 A 受到一个顺时针方向的电磁力,而 AA’的下半部导线 A’ 也受到一
个顺时针方向的电磁力。由于线圈绕组在定子上,定子是固定不动的,故根据作用力与反作
用力,定子绕组 AA’会施加给转子一个逆时针方向的反作用力,转子在这个力的作用下,就
转起来了。同理,与 AA’的情况类似,BB’也会对转子产生一个逆时针的反作用力。
当转子逆时针转过 60°后,到达图 1-20(b)的位置,这时线圈 BB’已经到达转子磁极的
边缘位置了,再转下去就要产生反方向的力了,所以这时就要换相,换成 AC 相通电,见图
1-20(c)。这样,每过 60°换相通电,转子就可以一直转下去了。
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无感无刷直流电机之电调设计全攻略 V0.01
(a) AB 相通电 (b) 转过 60° (c) AC相通电
(d) 转过 60° (e) BC 相通电 (f) 转过 60°
(g) BA相通电 (h) 转过 60° (i) CA相通电
(j) 转过 60° (k) CB相通电 (l) 转过 60°
图 1-20 转子位置与换相的关系(参考自《电动机的单片机控制》王晓明著)
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