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[原创]简述小功率直流无刷电机驱动控制的硬件设计

2021-1-31 12:52:05 显示全部楼层
本帖最后由 Lgnited 于 2021-1-31 13:30 编辑

简述小功率直流无刷电机驱动控制的硬件设计
直流无刷电机的数学模型是比较复杂的,网上这方面资料也是比较多的。这里主要简单说下这个硬件基本电路设计吧。
以三相无刷电机为例,见下两图:
1.png
Figure1 一般简化的结构图

这里转子是永久磁体,这里简化是一个极对,实际上可能会是2对或者3对,更多都可能,见下图。定子是三相绕组均匀分布,ABC三相简化为右图的结构。
1_!.png
Figure2 转子磁体横截面

2.png
Figure3 转子运行的磁场受力矢量分析

3.png
Figure4 直流无刷电机的截面

设计这样的一款小功率直流无刷电机硬件主要就是功率驱动、检测转换、控制策略。电源部分最好可以使用几个大点电解电容,储能滤波都会好些,因为电机启动时需要比较大的电流。
4.png
Figure5 MOS驱动电路

TIM_CH3和TIM_CH3N在STM32F1系列MCU里面是高级定时器的互补输出通道,互补在这里主要是避免上下臂控制同时为高,导致上下MOS同时导通,则+24V和GND1直接导通(就是短路),会直接损坏器件。如果MCU没有互补输出引脚,可以经过逻辑否后,也可以实现一高一低的输出。
D1和C2是一个自举电路,为了驱动Q5和Q6,其实这个主要是用来驱动Q5。因为NMOS的VGS是正电压驱动,Q6的S端是经过0.05R到GND1,所以Q6是可以直接被15V驱动到饱和的;Q5的A点驱动前可以假设是悬空的(也可以认为是经过电机的绕组,再经过0.05R到GND1,再经过0.05R到GND,这样的一个回流),看下图IR2101S内部符号图,如果加上一个储能电容,和一个二极管,可以理解为是一个典型的开关全导通的boost电路,至少保证电容上面的电压足以驱动Q5的VGS。MOS的GS端可以接上一个10K电阻,G端可以是再并上一个快速放电二极管串上一个33电阻,安规处理可以再接上一个稳压管等等。
5.png
Figure6 IR2101S内部符号图

6.png
Figure7 电流转换电路

经过电流的采样后,IA * 0.05R得到VA,经过差分的走向后,再经过同相加法运算求解出对应的输出电压。VREF为3.3V的一半,1.65V后跟随器输出。
见下图解析,R1、R3、R5和R2、R4、R6是平衡电阻,达到电路的相互平衡和PCB走线有些共模干扰信号会相互抵消,VF1可以使用叠加定理(独立电源代入再整合求解),这里以更简单方法(高电位-低电位)*电阻比值+低电位,VF1 =(1.65-0.2)*2/12+0.2 = 0.4416V。VF2 = (1+(R5/R1//R2))*VF1=6*0.4416=2.65v。整合简易的电路,VF2=[(1.65-0.05IA)/6 + 0.05IA]*6=1.65+(0.25/6)IA的公式。根据公式当电流大的了,VF2的电压比较大,会损坏控制芯片引脚,所以这个电路需要修改的,还有就是在后级加个BAV70、BAV99这些保护器件更好些。
7.png
Figure8 电流转换电路仿真(软件tinati

下面是无感直接电机一个反电动势的阻值分压和比较电路。MITTLE为中间电位,不需要过于研究电位实际大小,基本上确定Vemf>MITTER >0V,足够比较器比较输出高和低到MCU。最后两个图是对应的运行过程,对比下就好了,推导一遍,把原理搞定,剩下要搞下软件和算法。待软件技术提高了,后续相关篇章再出吧。
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Figure9 无感的EMF比较电路

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Figure10 无刷电机运行信号变化过程

10.png
Figure11 无刷电机运行信号变化过程对应的机械控制
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