【电机应用控制】——直流无刷电机&驱动原理&有感闭环控制&无感闭环控制
目录
前言
一、概述
二、驱动原理
编辑
三、（有感）速度闭环控制
四、无感控制（无位置传感器）
四、（无感）速度闭环控制
总结
前言
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一、概述
简介：
直流无刷电机（BLDC）是指无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机，有刷直流电机与无刷电机的最大结构区别：无刷没有电刷以及换向器；转子与定子反过来了！如下图无刷电机（左）定子是绕组而有刷电机（右）定子是永磁体！
无刷电机的运转过程类似机电传动控制课程的异步电机，利用定子磁场位置的不断变化，“吸着”/“”拖着“永磁铁转子的运动。
分类：
主要参数：
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：值越大电机转速越大。电机转速 = KV值*工作电压
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
应用场景：（前途无量）
无刷电机的应用场景很广泛，如电动车、无人机、风扇、鼓风机、抽油烟机等等。
二、驱动原理
内转子式BLDC为例：
引脚：
原理分析：
内转子式BLDC简化后如下。u、w、v可+可-，然后两两组合导通，共六种，也称为六步换相
如何实现三相极性切换？
使用三相逆变电路来实现极性的更换。三个半桥，高功率的MOS管来进行开关动作：
上面的方式是直接把电源加载到线圈上，会使电机很快飙到很高的速度。所以一般都是将高低电平用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：
PWM控制直流无刷电机的常见方法如上右图，实验用的是第四种H_PWM – L_ON： 上桥臂使用PWM调制， 下桥臂使用高低电平直接控制，电机转速，取决于上桥臂PWM的占空比。
如何确定当前转子的位置在哪？
有位置传感器（通过霍尔传感器读取）；无传感器（通过反电动势读取）。这里只介绍有感控制，无感控制在下面单独列出！
霍尔传感器检测：
霍尔与绕组得电情况真值表，不同厂家不同，不需要记忆！
驱动板介绍：
具有三相逆变电路、支持三相电流采样、电源电压采样和温度检测、霍尔/编码器/过零信号、过流保护电路等功能。......略
有感驱动配置流程：
①初始化TIM及IO。初始化相关IO，以及初始化定时器，6路通道（3路上桥臂以及3路下桥臂），开启中断。
②霍尔状态读取。编写霍尔传感器状态读取函数。
③六步组合。上下桥臂的导通情况，共6种，也称为6步换向。
④设置无刷参数。设置旋转方向以及脉冲占空比，并编写无刷启停函数。
⑤中断服务函数。在中断里边读取霍尔状态，根据方向以及霍尔状态依次导通上下桥臂。
模拟量采集配置流程：
①电机基本驱动。实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。
②初始化ADC&DMA。使用DMA进行ADC的数据传输，减少CPU的使用率。
③采集函数。编写数据采集函数。
④中断服务函数。采集电机未开始转时的基准电压，在将旋转后得到的电压进行相减得到实际电压。
三、（有感）速度闭环控制
有感测速原理：
第一步：可以看出当只有一对级时，旋转一圈霍尔输出一个完整脉冲（一N一S）
第二步：计算其中高电平的持续时间，即：t = C / Ft （其中Ft是计数频率，C为计数次数）
第三步：所以旋转一圈，需要的总时间为T = 2*C/Ft
所得出的结果就为：s/圈 ，倒数就为：圈/s ，转化为RPM即：Ft/（2*C） *60 即可
当转子为2对级时，速度公式为：Ft/(4*C)*60
有感速度闭环控制配置：
①电机基本驱动：实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。
②PID算法：实现PID算法（增量式/位置式）。
③速度控制：编写速度控制代码。
④上位机通信：编写上位机通信代码，可在上位机上实时显示当前速度与目标速度的波形变化。
⑤中断服务函数：在中断里边计算电机速度，调用PID算法实现PID控制。
以上说的是有霍尔传感器的有感控制，下面介绍下无感控制！
四、无感控制（无位置传感器）
简介：
无感控制不需要位置传感器（霍尔或光电）就能对无刷电机进行驱动，只有黄绿蓝三根粗线（U、V、W），无另外五根与传感器有关的细线。因为没有位置传感器，所以电机体积很小。
有感驱动：通过霍尔信号的组合判断转子当前位置；无感驱动：通过过零信号的组合判断转子当前位置。
控制原理：
在定子绕组换相的过程中，磁场方向不断变化，永磁铁转子转动，这时由楞次定律会产生反电动势。
过零点：反电点势从正变化为负或者从负变化为正的点。反电动势过零点都发生在不通电的那一相。
电机旋转一个电周期中电流和反电动势的波形如下：（其中实线代表电流，虚线代表反电动势，红点为过零点）
分析：第一个60°内，A相电流为正，B相电流为负，C相电流为零，这说明电机AB相通电，电流从A相流入B相，C相为开路， 反电动势的过零点正好出现在C相，因此只要在每个60°内检测不通电那一相的电压，即可检测反电动势过零点。过零点的检测通过上图右侧的比较电路实现（过零点其实就是个跳变点12V+-E反），比较是大于12V还是小于12V，输出1或0判断信号。
注意：1、过零信号的组合确定转子位置；2、过零点发生在换相提前30°的时刻。（结合上左图理解）
结论：准确检测出反电动势的过零点，将其延迟 30°，即为需要换相的时刻。如此就代替了位置传感器判断何时换相。
过零信号组合对应的绕组导通真值表：
无感驱动整体框图：
通过过零信号的组合判断转子当前位置，控制逆变器功率器件的开/关实现绕组的换相。
过零电路解析：
由于相电压过大，需电阻分压网络，进行分压（左图最右侧）；（运算放大器）将输出信号和输入信号进行隔离，同时增强了信号的驱动能力（中）；7 脚输出加了 RC 低通滤波，主要以去除信号线上的高频毛刺干扰（中）；BEMF_M为虚拟中性点，右图极为主要的比较电路，若BEMF_U（V或W）比中性点BEMF_M大输出1，反之输出0，通过ZERO_U（V、W）过零信号的组合判断转子当前位置。
输出三个过零信号后，到达上图左侧的复用芯片，可使用右下角的跳线帽选择是接霍尔信号还是过零信号；然后右侧就是端子了，通过此端子接到电机开发板，跟有感控制一样，只用到了H&Z U（V、W）三个引脚，至于是H还是Z是左侧的复用芯片决定的。
无感驱动配置流程：
①电机基本驱动：实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合等等。
②定位：固定转子在某一位置，然后以一定的速度按顺序换向旋转。
③检测过零信号：当稳定检查到过零信号时，进入过零控制。
④过零信号处理：过滤尖峰电压，判断过零信号发生改变，延迟计数，当延迟30°之后开始换相。
⑤中断服务函数：定时调用过零控制函数
四、（无感）速度闭环控制
无感测速原理：
①可以看出当只有一对级时，旋转一圈过零信号输出一个完整脉冲（一高一低）。
②计算其中高电平的持续时间，即：t = C / Ft （其中Ft是过零信号的计数频率，C为计数次数。
③所以旋转一圈，需要的总时间为T = 2*C/Ft。
结论：s/圈 ，倒数就为：圈/s ，转化为RPM即速度=Ft/（2*C） *60 。当转子为2对级时，速度公式为：Ft/(4*C)*60。
无感速度闭环控制配置：
①电机基本驱动：实现电机的基础驱动函数，启停、6步换向组合、过零控制等等。
②PID控制：实现PID算法。
③上位机通信：编写上位机通信代码，可在上位机上实时显示当前速度与目标速度的波形变化。
④中断服务函数：计算电机速度，调用PID算法实现PID控制。
总结
遇到挫折，要有勇往直前的信念，马上行动，坚持到底，决不放弃，成功者决不放弃，放弃者绝不会成功。成功的道路上，肯定会有失败；对于失败，我们要正确地看待和对待，不怕失败者，则必成功；怕失败者，则一无是处，会更失败。
今天的学习分享到此就结束了，我们下次再见！！
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