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首页无感无刷直流电机电调设计详解:从原理到实践
"《无感无刷直流电机之电调设计全攻略》是timegate墨鸢大佬撰写的一份深入解析无感无刷直流电机电调设计的技术文档,涵盖了电机基础、无感控制、反电动势过零检测等关键知识点,并提供了MK项目电调代码的分析。" 本文档首先介绍了无刷直流电机的基础知识,包括左手定则、右手定则和右手螺旋定则这三条基本定则,它们是理解电机工作原理的关键。接着,详细阐述了内转子和外转子无刷直流电机的工作原理,通过磁回路分析法和具体的电机结构示例帮助读者深入理解。同时,对无刷直流电机转矩的理论进行了分析,探讨了传统绕组结构、转子磁场分布和转矩产生的物理过程。 在无感控制方面,文档讲解了换相基本原理,以新西达2212电机为例进行换相分析,并讨论了调速机制。无感无刷电调的硬件设计部分涉及电池电压监测、六臂全桥驱动电路、功率场效应管选择、电流检测电路和反电动势过零检测电路的设计,这些都是电调实现高效控制的核心组成部分。 软件设计部分,着重介绍了电流检测、定时器延时与PWM信号的生成,包括定时器的初始化、中断服务程序以及PWM信号的产生。过零事件检测与电机换相的代码分析进一步揭示了无感控制的实现细节。此外,文档还包含了启动算法的解析、MOSFET自检流程以及创新性的让电机演奏音乐的实现方法。 通信模块部分涵盖了PPM解码、TWI总线通信、串口通信等,为电调与其他设备的交互提供了技术基础。这些内容为读者提供了全面的无感无刷直流电机电调设计知识,有助于读者深入理解和实践电机控制技术。
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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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