【嵌入式--伺服电机】无刷电机FOC驱动基本原理与设计

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前言

认知有限，望大家多多包涵，有什么问题也希望能够与大家多交流，共同成长！

本文先对有刷电机、无刷电机基本原理与设计做个简单的介绍，具体内容后续再更，其他模块可以参考去我其他文章

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提示：以下是本篇文章正文内容

一、无刷直流电机FOC原理【重点】

1.无刷直流电机的特点

1）高效率：效率>90%，功率和转矩密度高，功率因数几乎接近1
2）低压特性好、过载能力强、启动转矩大、启动电流小
3）没有换向器等，用电子换向代替，【防盗标记–盒子君hzj】磁极使用稀土材料，体积小
4）转速精度高

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2.无刷直流电机的种类

1）外转子无刷直流电机【永磁体在外面】

2）内转子无刷直流电机【永磁体在里面】

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3.无刷直流电机的驱动电路【重点】

（1）【7】三相逆变部分【FOC的最终执行部分】

原理

三相逆变器控制六个MOS管将直流逆变为三相交流电，当三相直流电机的三相分别通以相差120°的正弦电压时（换流的过程，也称电子换向过程）， 从而迫使线圈定子磁状态发生改变【防盗标记–盒子君hzj】，在电机气隙中产生跳跃式的旋转磁场，其中三相逆变器常用的有两种：半桥式搬控型和全桥式全控型，每个桥臂都有一个电子开关，小功率电机可以选择三极管，MOS管，大功率电机选择IGBT。（一般在电子开关上可以并联一个续流二极管，也可以不需要）

（1）整流电路:

有变压器TR1和整流桥BR1组成，将交流电源转换位直流电

（2）滤波电路：

实现直流电源的低通滤波，形成低内阻硬持性直流电压源，【防盗标记–盒子君hzj】同时于绕组感性负载交换无功功率，其功能有大点用C2实现

（3）缓冲电路：

为了减少开关管承受的尖峰电压，有R3、C3、D7组成的RDC缓冲电路，缓冲容C3选用高频特性好的无感电容，要得上开关管的开关频率，D7选用过渡正向电压低，反向恢复时间短的快速恢复二级管。

（4）驱动放大电路（驱动芯片IC）：

脉宽调制的PWM信号经过驱动电路放大送至各种功率的三相逆变器

（5）逆变电路：

功率开关管T1_{T6、续流二级管D1}D6;功率开关管一般选择功率MOSFET\IGBT\GTR\GTO，甚至可以选择只能功率模块IPM,开关管的种类不同对驱动的信号也不同【防盗标记–盒子君hzj】

（6）三相UWV定子绕组的连接方式选择原则

1）绕组利用率：三相绕组优于四相绕组和五相绕组
2）转动脉动：相数越多，转动脉动越小，成本越高
故星形连接三相桥式电路应用最广泛
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（2）【12367】电机三相电流变换采集及逆变换控制

（1）电机三相电流变换采集

电流检测的作用：

（1）监测电机的电流数据来估算出机械狗着地的压力值，用于反馈客观估计
（2）电机驱动内部电流内环控制状态反馈

方法一：FOC的方法

因为交流电并不能直接与参考直流电对比形成误差偏差。因此首需要对采集的电流进行clark变换，clark变换将三相的电流用二维的dq直角坐标系表示出来。之后再进行park变换，【防盗标记–盒子君hzj】park变换将二维的直角坐标系的受力按转子的方向进行二维转换，转换后变为直流电与参考电流进行对比，得出偏差

（1）Clark变换作用（三相电流变换）：

    由三相UWV坐标系变换到静止dq坐标系的过程称之为Clarke变换，我们有一个三相绕组，空间和相位都差120°，合成起来是一个旋转的磁动势，磁动势是矢量合成的，计算机计算复杂。我们用欧拉公式转换一下，发现可以用一个相位都差90°的dq坐标系完美等效，使得旋转的磁动势不用三相电压矢量表示，直接可以用dq坐标标量表示

（2）Park变换作用

经过Clark变换，有一个旋转的磁场了，但是感觉还是太复杂，如果我们站在一个坐标系里面，这个坐标系也在旋转，而且旋转的速度和合成磁动势一样，这时候再去观察磁动势将是一个常量

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方法二：对直流输入端直接进行电流检测方案

1）方案一：检测电阻+运放 ,但其温漂过大,并且无隔离效果,对电阻与运放的要求较高。
2）方案二：模块化霍尔电流传感器
3）方案三：芯片级霍尔电流传感器
ACS712芯片功能： 电流的流过ACS712芯片会产生一个磁场【防盗标记–盒子君hzj】，霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、与斩波电路，输出一个电压信号

（1）ACS712芯片功能：

    电流的流过ACS712芯片会产生一个磁场，霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、与斩波电路，输出一个电压信号

（2）ACS712芯片引脚功能：

（1）1和2是待测电流的输入端，内置有保险
（2）3和4是待测电流的输出端，内置有保险
（3）FILTER端外接电容，用于噪声管理，提高输出精度。
（4）VIOUT端：模拟电压输出（输出电压和待测电流成正比）
（5）GND端：信号地
（6）VCC端：电源电压

（3）ACS712芯片内部电路

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（2）电机三相电流逆变换控制

（1）空间矢量调制svm
（2）MCU硬件定时器产生脉宽调制的PWM信号
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（3）【5】转子位置的采集部分

（1）无位置传感器检测（无感检测）

这个方案我没有搞过~.
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（2）有位置传感器检测（有感检测）

进行clark与park变化需要知道当前电机的转动角度，因此需要求出当前转动的角度并经过绝对位置信息，可根据电机上固定的六个霍尔传感器进行角度矫正。磁角度传感器可检测出电磁力方向，即线圈产生的电磁力的合力方向，也是当前转子的方向。

（1）霍尔传感器位置采集的作用

使用2/3/6个霍尔传感器采集转子位置。输出的位置信息控制这些开关管的导通和截止如果没有转子位置检测，【防盗标记–盒子君hzj】没有顺序的给绕组上电，电机只会抖动或者乱转，甚至烧毁电源
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（2）霍尔效应及磁敏式位置传感器、霍尔传感器原理

1）霍尔效应定义

磁场会对位于其中的带电导体（带点导体在芯片里）内的运动电荷施加一个垂直于去运动方向的力，该力会使得正负电荷分别积累到导体得上下两侧。这在薄而平得导体中现象更加明显。电荷在上下两侧得积累会平衡前后磁场得影响，从而在导图两侧建立起稳定得电势差，产生这个电势差得过程叫做霍尔效应
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2）磁敏式位置传感器种类

一类是开关型器件：实验室6个围个圈的那种

原理：
给电机提供一个稳压电源，当霍尔芯片经过磁场时，霍尔传感器输出端输出一个很小得电势差，该电势差经过放大器进行线性放大后，若放大后得电压大于施密特触发器整形电路的“开启”阈值电压时【防盗标记–盒子君hzj】，整形电路输出数字高电平，反之输出低电平

结构：
由稳压电源、霍尔组件、放大器、整形电路、输出电流5个部分组成
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一类是线性霍尔器件：实验室的那种14bit

一般是磁编码器~
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3)霍尔传感器电机安装位置正确性验证原理

将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当转子N极靠近霍尔传感器并磁感应强度达到一定值时，霍尔传感器输出高电平。高电平状态一直保持到电机旋转使得S极靠近霍尔传感器并磁场强度达到一定值时【防盗标记–盒子君hzj】，霍尔传感器才输出低电平。若电机匀速转动，传感器输出的波形占空比为50%，若电机只有一对磁极，转一圈输出一个周期电压，若电机只有两对磁极，转一圈输出两个周期电压，以此类推
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4）电机NS极不同方法安装转动时，气隙磁场密度、霍尔传感器信号的变化

A、一对磁极一个霍尔传感器的情况

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B、三相一对磁极三个霍尔传感器（相间120度）的情况

结论：
（1）无刷直流电机若采用3个霍尔传感器，一般相间120度或者按相间60度圆周分布
（2）若霍尔传感器间隔120度，则三个霍尔传感器输出的波形也相差120度
（3）在编程的时候，霍尔传感器的三个信号可用3位二进制编码表示，且每60度编码改变一次

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C、三相一对磁极三个霍尔传感器（相间60度）的情况

结论：
（1）若霍尔传感器间隔60度，则三个霍尔传感器输出的波形也相差60度
（2）在编程的时候，霍尔传感器的三个信号可用3位二进制编码表示，【防盗标记–盒子君hzj】且每60度编码改变一次，编码顺序和120度的不同

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D、三相两对磁极三个霍尔传感器（相间60度）的情况

结论：注意电角度是机械角度的两倍

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E、两相及四相的两个霍尔传感器

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5）机械角度和电角度的定义和关系

1）机械角度定义：电机转子的旋转角度
2）电角度定义：磁场的旋转角度
3）机械角度和电角度的定义和关系：

当转子为一对磁极的时候：电角度=机械角度
当转子为N对磁极的时候：电角度=N*机械角度
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（3）双编码器方案

（1）双编码器机器人关节的作用

谐波减速机属于柔性减速机，具有一定的刚度; 若电机与减速机间设置了齿轮传动、带传动及丝传动等传动链，该传动链同样具有一定的刚度。具备一定刚度的机器人关节传动链可以等效为一个弹簧元件，【防盗标记–盒子君hzj】当关节输出端受到一定的转矩而产生转角偏差时，由于受到该弹簧元件的影响，电机端所感知到的转角偏差将小于通过减速比计算得到的电机端的理论转角。

双编码器实现机器人关节的刚度补偿，为获得机器人关节较高的绝对定位精度，提高关节的转速控制精度及绝对转角控制精度

当使用双编码器设计后，由关节传动链刚度引起的绝对值角度编码器位置变化可由电机反拉一定角度实现回正，由此可对该刚度进行补偿，使关节输出端角度回到预期值

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（2）机器人关节双编码器安装方式

电机端的增量式角度编码器以及减速机输出端的绝对值角度编码器
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（3）绝对值编码器原理

绝对编码器是直接输出数字量的传感器，绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码）。【防盗标记–盒子君hzj】这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码

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（4）增量式角度编码器原理

安装在电机的输出端。选用高分辨率增量式角度编码器，如一圈具有 20 000 个脉冲的角度编码器

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（4）【4】控制电路部分

1）PI电流控制：进行电流闭环，使系统具有更好的动态特性和静态特性；

2）实现短路保护、过流保护、【防盗标记–盒子君hzj】欠压保护、故障保护的功能

3）通讯

4）控制模式方案–PD控制器

无刷直流电机控制的本质

转子是永磁铁，定子是绕组，我们用电路控制定子绕组产生旋转的磁场，里面的转子磁铁就会跟着转动，这个磁场的大小最好恒定，不然一会儿大一会儿小，转子受到的牵引力也就一会儿大一会儿小，影响运动性能
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控制产生连续旋转的磁场步骤

（1）先要产生一个“旋转”的电压
（2）再控制产生一个“旋转”的电流
（3）就会产生一个旋转的磁场
可以把电压、电流以及磁链都看成是旋转的矢量，其转速完全一致，相位不同。
时域方程数学表达如下：

电压、电流以及磁链虽然以相同的速度在旋转，但是其相位还是有差别的，因此，我们有必要定义一个基准坐标（dq坐标），把这个相位信息表达出来。永磁体所在的轴线称之为d轴（Direct Axis），也叫直轴，垂直于永磁体的轴线称之为q轴（Quadrature Axis），也叫交轴。d轴和q轴相差90°电角度

DQ坐标系下三大方程

时域下（磁链、电压、转矩）三大方程都是用矢量来表示的，形式是相当简洁的，但是矢量运算在计算机中也不容易实现，所以控制上一般都是给出标量形式下的电机三大方程：
我们首先将电压、电流及磁链矢量投影到dq坐标系上：

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（5）成品驱动及学习

程序分析我写在另外一个博客中，本文仅仅介绍基本原理~
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4.直流无刷电机速度和力矩、位置、方向控制规律

1、方向和位置又电压相序决定
2、速度正比于电压：速度控制需要PWM
3、速度正比于反电动势（电源电压）
4、力矩正比于电流：力矩控制需要电流环

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参考资料

论文
SENSORLESS FIELD ORIENTED CONTROL OF BRUSHLESS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS