怎样控制无刷直流电机的转速?
单片机与嵌入式 2024-05-23

分享下这篇不错的文章,了解下STM32单片机开发时常见的无刷直流电机。

无刷直流电机简介

无刷直流电机,英语缩写为BLDC(Brushless Direct Current Motor)。电机的定子是线圈,或者叫绕组。转子是永磁体,就是磁铁 。根据转子的位置,利用单片机来控制每个线圈的通电,使线圈产生的磁场变化,从而不断在前面勾引转子让转子转动,这就是无刷直流电机的转动原理。下面深入一下。

无刷直流电机的结构

首先先从最基本的线圈说起。如下图。可以将线圈理解成长得像弹簧一样的东西。根据初中学过的右手螺旋法则可知,当电流从该线圈的上到下流过的时候,线圈上面的极性为N,下面的极性为S。

现在再弄一根这样的线圈。然后摆弄一下位置。这样如果电流通过的话,就能像有两个电磁铁一样。

再弄一根,就可以构成电机的三相绕组。

再加上永磁体做成的转子,就是一个无刷直流电动机了。

无刷直流电机的电流换向电路

无刷直流电机之所以既只用直流电,又不用电刷,是因为外部有个电路来专门控制它各线圈的通电。这个电流换向电路最主要的部件是FET(场效应晶体管,Field-Effect Transitor)。可以把FET看作是开关。下图将FET标为AT(A相Top),AB(A相Bottom),BT,BB,CT,CB。FET的“开合”是由单片机控制的。


用霍尔传感器确认转子位置

霍尔传感器通过霍尔效应(Hall Effect),能检测出磁场强度的变化。根据高中物理所学的左手定则(用来判断带电导体在磁场中的受力方向),在霍尔传感器所在的回路中,磁场使带电粒子的运动发生偏转,带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边,产生电位差。这时就可以用电压计接到霍尔传感器的两边,检测出这种电压变化,从而检测出磁场强度的变化,原理如下图所示。

电气角度和机械角度关系

虽然在这里插入这么个小知识有点怪,但我还是觉得有必要的,因为我觉得当时学的时候不太好理解。在这里配合霍尔传感器的实例说可能好懂一点。机械角度就是电动机转子实际转过的角度。电气角度和机械角度的关系与转子的极对数有关。

电气角度 = 极对数 x 机械角度

因为实际上线圈生成的磁场要吸引的是转子的磁极。所以对于电机的转动控制来说,我们只关心电气角度就好。

怎样控制无刷直流电机的转速?

线圈两端的电压越大,通过线圈的电流越大,生成磁场越强,转子转动得就越快。因为接的电源是直流的,所以我们通常用PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)来控制线圈两端电压的大小。PWM的简单原理如下。

所以给无刷直流电机通电的时候,用单片机产生的PWM不断地控制FET的开合,能使线圈反复处于通电断电,通电断电的状态。通电时间长(Duty大),线圈两端的等效电压就大,产生的磁场强度就强,转子转动就快;通电时间短(Duty小),线圈两端的等效电压就小,产生的磁场强度就弱,转子转动就慢。

PWM波形接到FET的Gate(门极)上,控制FET的开合。假设Gate上的电压为高时,FET闭合导通;Gate上的电压为低时,FET断开不通电。

而且同一相上的上下两个FET须由反相的PWM波形控制,以防止上下两个FET同时导通,造成电流不通过电机而上下相同,造成短路。

无刷直流电机的关键有三点:

  • 线圈绕组电流的换向顺序。电流的换向顺序决定了由线圈产生的磁场的旋转方向,从而决定了转子的转动方向

  • 霍尔传感器或其它手段来估计永磁体转子所处的位置,用于决定电流什么时候换向

  • 使用单片机产生的PWM波形来控制电机绕组的通电时间,来控制转子转动的速度


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