《DMF407电机控制专题教程_V1.0》第21章 直流无刷电机

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第21章 直流无刷电机

本章我们主要来学习直流无刷电机的简介以及直流无刷电机的驱动原理，然后对直流无刷电机的驱动硬件平台进行介绍。
本章分为如下几个小节：
21.1 直流无刷电机的简介
21.2 直流无刷电机的基本控制原理
21.3 直流无刷电机的霍尔传感器控制基本原理
21.4 直流无刷电机的驱动硬件平台简介


21.1 直流无刷电机的简介
        直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor，简称 BLDCM）顾名思义没有了直流有刷电机中的电刷和换向器等结构，因此线圈绕组不参与旋转，而是作为定子，永磁体作为转子，所以需要通过控制线圈电流方向来改变磁场方向从而使转子持续旋转，同步进电机不同的是，无刷电机绕组通常是3组，并且只有3个引出接线端子，一般为星形接法，3组线圈的起始端通过电机内部连接到一起，剩余的一端引出作为电机的引线。由于无刷电机的换向需要根据转子位置确定，因此一般无刷电机有霍尔传感器，用于提供转子位置信息，当然也不是必需的，还可以通过无感的方式，用仅有的3根电机线来分析和确定转子的位置、转速等信息。
21.1.1 直流无刷电机与直流有刷电机的特点

图a 直流无刷电机结构图         图b 直流有刷电机结构图

        可以从图a与图b中看出有刷电机与无刷电机之间最大的结构区别在于：无刷电机没有电刷以及换向器；并且无刷电机的线圈绕组不参与旋转，而是作为定子，永磁体作为转子，与有刷电机是相反的结构。
        无刷电机其性能相比于有刷电机有很大优势，由于没有了碳刷结构，所以干扰小、噪音低、运转流畅、高速而且寿命更长。缺点就是控制较为复杂、成本比有刷电机贵。在四轴飞行器，汽车，工业工控上的应用非常广泛。下面我们总结了关于直流有刷电机以及无刷电机的特点，如下表：

表21.1.1.1 有刷电机与无刷电机特点

21.1.2 直流无刷电机的分类
        无刷电机的分类方式有很多种，我们这里仅以驱动方式进行区分，如下图：

图21.1.2.1 驱动方式分类示意图

        图21.1.2.1中我们可以看到，直流无刷电机以驱动方式进行分类，可以分为：方波驱动以及正弦波驱动，其中方波驱动又分为：外转子式BLDC、内转子式BLDC；正弦波驱动分为：永磁同步电机（PMSM）。下面我们来看下这些电机的实物图：

图21.1.2.2 外转式BLDC

图21.1.2.2的无刷电机为外置式转子，即磁体做成的转子在外侧，内侧的定子是缠绕漆包线的硅钢叠片，主要应用于四轴飞行器等。

图21.1.2.3 内转式BLDC

图21.1.2.3的无刷电机类似步进电机的一种结构，即磁体转子在内侧，硅钢片定子在电机外侧。一般电机直径和长度越大，扭矩越大，有时还通过减速齿轮组来增大扭矩，在工业工控上的应用非常广泛。

  

图21.1.2.4 永磁同步电机（PMSM）

        图21.1.2.4为永磁同步电机（PMSM）该电机一般都配有高精度编码器，优点显著，精度高，效率高，运行可靠，损耗小，在精度要求较高的场合被广泛应用。适合高级控制方式——FOC。
21.1.3 BLDC和PMSM的区别
        BLDC与PMSM电机在控制方式、运行方式、绕组方式等等，都有很大的区别，最主要的区别就是反电动势不同，BLDC接近于方波，PMSM接近于正弦波。下面我们总结了一张BLDC与PMSM之间的对比表，如下表：

表21.1.3.1 BLDC与PMSM之间的区别

图21.1.3.1 绕组方式区别

21.1.4 直流无刷电机的主要参数介绍
        极对数：转子磁铁NS级的对数，此参数和电机旋转速度有关：电子速度 = 电机实际速度 * 极对数。
        KV值：电机的运转速度，值越大电机转速越大。电机转速 = KV值 * 工作电压。同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的 KV 特性。绕线匝数多的， KV 值低，最高输出电流小，扭力大；绕线匝数少的， KV 值高，最高输出电流大，扭力小；
        额定转速：额定的电流下的空载转速，通常单位用RPM表示；
        转矩：电机中转子产生的可以带动机械负载的驱动力矩。通常单位为：N.M；
21.2 直流无刷电机的基本控制原理
        首先我们回忆下高中知识¬¬——安培定则，也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。我们这里利用定则之一：当用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。如下图所示：

图21.2.1 右手螺旋定则示意图

        所以通电线圈会产生磁场，我们可以把通电线圈的磁场看成一个磁体，如下图：

图21.2.2 通电线圈与磁体的等效图

        磁体之间，存在异性相吸，同性相斥的原理，通电线圈和永磁体之间同样存在，而无刷电机就是利用了通电线圈和永磁体的相互作用原理，下面看下BLDC的内部结构图：

图21.2.3 内置转子式无刷电机

        无刷电机的3根电机线按顺序依次叫U相线(一般为黄色)，V相线(一般为绿色)和W相线(一般为蓝色)，3组漆包线绕组的一端连接在一起，另外一端引出即为UVW相线，所以任意两根相线通电都可以导通这两个线圈，除此之外，一般无刷电机还有另外一组引出线，即霍尔传感器线，一般有5根分别是：
1：红色霍尔电源线正极；
2：黑色霍尔电源线负极；
3：黄色霍尔U相输出；
4：绿色霍尔V相输出；
5：蓝色霍尔W相输出，
霍尔传感器的3相电平输出主要用于指示无刷电机转子的位置。
        接着来分析直流无刷电机的驱动原理，为了方便分析，将上述无刷电机实物图的结构简化为以下形式，如图21.2.4：

图21.2.4 无刷电机简化结构图

极对数过多不易于分析所以进一步简化为如下：

图21.2.5 无刷电机进一步简化图示

        其中COM为公共结点，就是将UVW三相的一端短接一起形成的节点，另外一端引出，所以可以看作3个有公共端的线圈和一个永磁体结构，如下：

图21.2.6 无刷电机简化结构

        此时将转子放上，并将A、B、C改为U、V、W三相方便理解，如下图：

图21.2.7 无刷电机简化图

        图21.2.7反映了U相接正极，W相接负极，V相开路，那么此时电流由U相流到W相，同时U相和W相产生的磁场合成的磁场矢量方向即为转子磁场方向。
        由于BLDC的运行方式为绕组两两导通，所以三相线圈的导通组合只有6种通电情况，根据合理的顺序依次切换通电顺序即可让转子跟着磁场转起来。如下图：

图21.2.8 无刷电机定子顺序换向步骤

        由上图可知，想要控制BLDC旋转，根本的问题就是产生这6拍的工作方式的电压信号（称为BLDC的六步控制），假设BLDC的额定电压为24V，电机的三根相线定义为U，V，W：
1.        给U接24V、V悬空、W接GND，此时电机的转轴对应上图(1)的转子位置。
2.        在上一步的基础上修改接线方式，给U接24V、V接GND、W悬空，此时电机的转轴对应上图(2)的转子位置，相较于(1)旋转了一个角度。
3.        在2.的基础上继续修改接线方式，U悬空，V接GND，W接24V，此时对应(3)。
4.        在3.的基础上继续修改接线方式，U接GND，V悬空，W接24V，此时对应(4)。
5.        在4.的基础上继续修改接线方式，U接GND，V接24V，W悬空，此时对应(5)。
6.        在5.的基础上继续修改接线方式，U悬空，V接24V，W接GND，此时对应(6)。
同样的，如果顺序相反则无刷电机会反向旋转。同步进电机类似，实际上步进电机也算是无刷电机，所以无刷电机也会存在步进电机那样的问题，即丢步，原因也是定子产生的磁场没有来得及改变定子的位置，一般也可以增大驱动电流来缓解。一般步进电机没有转子位置传感器，但是无刷电机一般是有的，传感器需要独立供电，一般直流5~24V即可，传感器有3根输出信号线，同样排除全部高、低电平情况也是6种状态。
        我们可以从图21.2.8得知，不管是U相、V相、W相在6种状态里边有时需要接正极，有时需要接负极，所以就有个问题了，如何简便的控制三相极性的切换？我们使用三相逆变电路来实现，如下图：

图21.2.9 三相逆变电路

        所谓的三相逆变电路就是由三个半桥构成的电路，图21.2.9中的A+与A-为一个半桥，B+与B-以及C+与C-各自又为一个半桥，共三个半桥；这三个半桥各自控制对应的A、B、C三相绕组；当控制A的上桥臂A+导通时，此时A相绕组接到电源正，当控制B的下桥臂B-导通时，此时B相绕组接到电源负，所以此时电流由A流向B。
        所以想要控制绕组的极性，只需要控制绕组对应半桥的“上桥臂导通”或者“下桥臂导通”就可以实现控制该相连接至“正极”或者“负极”了，但是要注意不可以同侧半桥上下桥臂同时导通，负责会短路，烧毁电机！那我们要实现图21.2.8中的6步控制，就可以通过三相逆变电路来实现，如下图21.2.10：

图21.2.10 六步换向导通情况

        从图21.2.10我们发现以上方式直接把电源加载到线圈上，这样会直接使电机很快飙到很高的速度，这样不利于我们控制，所以一般工作时都是将高低电平用PWM来代替，这样可以方便的控制线圈电流，从而控制转子扭矩及转速。接着我们就来看下PWM控制方式的示意图：

   

图21.2.11  PWM方式驱动无刷电机

        通常使用PWM控制直流无刷电机的常见方法有5种，分别是： PWM – ON、ON– PWM、H_ON – L_PWM 、H_PWM – L_ON、H_PWM – L_PWM。且均是电机处于120°的运行方式下进行的。如下图：

图21.2.12  PWM调制方式

（1）采用PWM-ON方式时，下桥换相和上桥换相的换相转矩脉动相等，且最小；非换向相电流脉动也是最小的；
（2）采用ON-PWM方式时，下桥和上桥换相转矩脉动相等且比PWM-ON方式大，非换向相电流脉动也比PWM-ON方式时大。
（3）采用H_ON - L_PWM方式时，下桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动小且与PWM-ON方式时的转矩脉动和电流脉动相等，上桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动大且与ON -PWM方式时的转矩脉动和电流脉动相等。
（4）采用H_PWM - L_ON方式时，下桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动大且与ON-PWM方式时的转矩脉动和电流脉动相等，上桥换相转矩脉动和非换向相电流脉动小且与PWM-ON方式时的转矩脉动和电流脉动相等。
（5）采用H_PWM - L_PWM方式时，换相转矩脉动最大且非换向相电流脉动也最大。
        不同的控制方式在性能上有不同的效果，针对实际的应用场合可以多尝试多种调制方式，然后选择最优调制方式，一般认为：单极性调制转矩波动更小，双极性调制转矩波动较大。我们例程依据我们的驱动硬件所使用的是H_PWM – L_ON的驱动方式。
21.3 直流无刷电机的霍尔传感器控制基本原理
        我们虽然已经知道了控制转子的六个节拍的方法。但是你有没有发现一个新的问题：如果不知道转子的位置，就不知道何时该驱动哪个绕组？所以驱动无刷电机的前提是我们必须要知道转子的当前位置！
        无刷电机依靠传感器提供转子位置信息进行驱动的方式我们称之为有感驱动方式，既然有有感驱动，那么是不是也同样存在无感驱动？是的，在无感驱动章节会重点介绍，这里先从有感驱动开始。
无刷电机的传感器一般为霍尔传感器，根据霍尔器件可检测磁场的变化的特性再搭配一定的电路将磁场方向变化信号转化成不同的高低电平信号输出，如下图21.3.1所示

图21.3.1 霍尔传感器磁场检测示意图

        以霍尔传感器为参照物，定子旋转时，霍尔传感器检测到的磁场变化及输出信号如下所示。

图21.3.2 磁场变化及霍尔输出信号图示

        同无刷电机均匀分布的定子一样，用于输出3路磁场信号的3个霍尔传感器也是均匀分布在无刷电机的一周的，每相邻两个传感器电角度相差120°。电机按一定方向转动时，3个霍尔的输出会按照6步的规律变化，如下所示。

图21.3.3 霍尔传感器安装位置120°电角度

图21.3.4 霍尔传感器信号变化图示

        补充，机械角度是指电机转子的旋转角度，电角度是指磁场的旋转角度，它们的关系式满足：电角度 = 机械角度 * 极对数。
        图21.3.3为霍尔传感器安装的以120°电角度所安装的示意图；图21.3.4为电机旋转时三个霍尔传感器输出的波形，所对应的扇区组合。通过三个霍尔传感器输出的波形就可以判断当前转子的具体位置，同样满足6步一周期。
        6步换向需要依赖霍尔传感器反馈的转子位置，其相对应的就是三相逆变电路的上下桥臂导通情况，如下表所示。

表21.3.1 不同转向时霍尔状态及MOS管状态        

        如表21.3.1所示，当我们需要无刷电机正转时，如检测霍尔输出的组合值为“101”，那么此时我们需要导通U相的上桥臂“U+”，和V相的下桥臂“V-”即对应当前转子所在的扇区位置。其他霍尔组合情况同理。
        特别注意，一般厂家都会给出一个霍尔传感器和绕组得电情况的对应关系表，不一定和表21.3.1完全对应一致，但是原理分析都是一致的，表21.3.1为我们店铺的无刷电机正反转控制逻辑表。
        最后我们可以得到有感驱动无刷电机整体框图如下：

图21.3.5 有感驱动整体框图

21.4 直流无刷电机的驱动硬件平台简介
21.4.1 店铺BLDC的技术参数
        关于店铺无刷电机的技术参数可查看下表：

表21.4.1.1 无刷电机参数

21.4.2 无刷电机驱动板介绍
        无刷电机驱动板同直流驱动板类似，相对多了一组驱动桥用于控制无刷电机UVW三相的通电，无刷电机驱动板有3路的电流及反电动势采集电路、还有驱动板电压及温度采集电路。这里我们重点介绍直流无刷驱动板的三相逆变电路原理及驱动板的接口作用。更多关于ATK-PD6010B 驱动板原理介绍请查看《ATK-PD6010B直流无刷驱动板用户手册.pdf》。
        1）直流无刷驱动板接口

图21.4.2.1 直流无刷驱动板

        为了方便用户接线使用，我们对 ATK-PD6010B 驱动板接口和跳线帽作一个说明：
①        控制信号和采集信号接口 CN3，这是一个 2*12P 2.54 间距的牛角座接口，通过一根24P 牛角排线直连我们 ATK-DMF407 电机开发板的直流有/无刷驱动器接口，实现开发板对驱动板的控制以及信号的采集。
②        编码器和霍尔传感器接口 CN2，这是一个 8P 的 HT396R 端子，包括 3 相编码器接口、 3 相霍尔传感器接口以及编码器供电接口。这个接口用于连接电机的编码器和霍尔传感器，从而实现电机转速的测量以及电机转子位置的检测等。
③        编码器供电选择接口 JP2，驱动板板载了 5V 电源和 11V 电源，用户可根据电机编码器供电电压选择合适的电源，默认使用 5V 电源。
④        制动电阻接口 CN4，用于外接制动电阻， 结合制动电路实现制动控制。
⑤        Z 相编码器和制动控制信号选择接口 JP1，有时候我们可能只用到编码器的 A B 相，那 Z 相就可以用作制动控制，通过制动控制电路实现电机制动。
⑥        霍尔检测和过零检测选择接口 JP3。为了提高驱动板对更多无刷电机的适配性， 我们的驱动板不仅板载了编码器接口和霍尔传感器接口，还板载了过零检测电路。当我们要驱动一个既没有编码器又没有霍尔传感器的直流无刷电机时，这个过零检测电路就起作用了。默认使用霍尔检测的方式。
⑦        电机和电源接口 CN1，电机接口就是用来连接直流无刷电机的动力线了，包括 U/V/W这 3 相线；电源接口则是连接外部电源，范围 DC12~60V。
        ATK-PD6010B 驱动板 3 相 H 桥电路， 如图 21.4.1.2 所示：原理图如下。

图21.4.2.2 驱动板三路驱动桥原理图

        可以看到，这是3个半桥电路(U/V/W三相)， 主要包括 6 路 PWM 控制信号、 6路高速光耦 TLP2355、 3 颗高低侧栅极驱动芯片 IR2110S、 驱动芯片关断控制信号， 6 颗 MOS功率输出管 IRFS3607、 3 路相电流信号、 3 相反向电动势信号、逻辑供电 VCC5、驱动 IC栅极供电 VCC11 以及功率管母线电压 POWER（DC12~60V）。
        因为 U/V/W 三相驱动电路相同，我们就拿 U 相驱动电路来分析：
        首先半桥芯片IR2110S它由SD_IN决定是否能正常输出，当SD_IN=0时输出正常，当SD_IN=1时芯片输出关闭。类似一个刹车引脚。
        U 相高低侧 PWM 信号 PWM_UH 和 PWM_UL 分别通过图腾输出型光耦，进入栅极驱动逻辑控制输入端 HIN 和 LIN，在关断控制信号 SD_IN=0 的时候， HIN 信号通过 HO 直接控制上管 Q1 的开关， HIN=1 则 Q1 导通， HIN=0 则 Q1 关闭； LIN 信号则通过 LO 控制下管 Q2 开和关。 Q1 和 Q2 的输出 Motor_U 就连接电机的 U 相线。
        我们这里选择图腾输出型高速光耦，也是经过慎重选择的，图腾输出类似推挽输出，无需上下拉电阻，输出能力强，输出信号跟随输入信号， 当光耦输入端悬空时，默认输出低电平。 如果把图腾输出型换成开集输出型光耦，会有什么现象呢？开集输出类似开漏输出，需要强上拉电阻才能保证足够的驱动能力和速度， 最重要一点是，当输入悬空时，输出信号被上拉电阻拉高，这个时候， HIN 和 LIN 都为高，恰好栅极驱动 IC 的 SD 引脚默认内部下拉，所以都为高电平的 HIN 和 LIN 会同时打开上下管，上下管同时导通，主电源 POWER 直接接地，那后果不堪设想，轻则烧毁驱动器，重则连同输入电源一同烧毁。所以我们这里选择图腾型输出光耦，当输入悬空的时候，上下管都是关闭的。
        并且我们驱动板将需要控制器参与的部分接口统一做到一起，使用24P的DC3插座连接开发板，十分方便。
1）        直流无刷驱动板实物接线
        下面我们将手把手地教大家搭建直流无刷电机驱动的硬件平台，这一部分内容十分重要，大家一定要掌握。首先我们需要准备一些材料，如图21.4.2.3所示：

图 21.4.2.3 硬件平台搭建所需材料

        图21.4.2.3中，不同的序号对应的材料如下：
①        电机开发板；
②        无刷驱动板；
③        传感器接口8pin端子；
④        无刷电机；
⑤        专用24pin排线（排线颜色不定）；
        除了之外，我们还需要准备一个符合电机工作电压的直流电源，例如我们教程中所使用的直流无刷电机的工作电压是24V，这里就准备一个24V的直流电源即可。
        有了这些材料之后，我们还要了解下电机的引脚定义，实验用的57无刷电机实物如下：

图21.4.2.4无刷电机实物

        其中引脚定义，在电机标签有注明，如图：

图21.4.2.5 无刷电机标签

        得知电机的引脚定义之后，接着就是将电机与无刷电机驱动板进行连接，连接关系如下表：

表21.4.2.1 电机与无刷驱动板的连接关系

        无刷驱动板的传感器接口电源电压有5V和11V两个选择，大家一定要根据实际传感器的工作电压来选择，例如我们教程中所使用的霍尔传感器（装在直流无刷电机内部）的工作电压是5V，这里就接VCC5即可。驱动板和开发板连接只需要使用排线连接即可，电机与驱动板通过接线端子进行连接，整体实物连接如下图21.4.2.6：:

图21.4.2.6 端子连接驱动板

        注意：后续的直流无刷专题教程中，如果没有特别说明实物接线的，均按照上述接线方式（开发板需要单独供电）。至此，直流无刷驱动板的实物连接就介绍完了，有了这些基础之后，我们就可以开始学习直流无刷电机的基础驱动了