無刷電機學習日記01

2021-01-20 那個混子

好幾天沒有更新了,雖然寫了我自己的一些計劃,但是世事難料啊,哈哈哈哈,計劃趕不上變化,下面更新了..........

「昨天的豐盛,對於今天的飢餓是毫無意義的;今天的豐盛,對於明天的飢餓也是毫無意義的。最重要的就是在此時此刻豐盛,也就是要活在眼前。"

混子前兩天去參加附小運動會的志願活動,挺可愛的,那些小娃

        大四的俺,有個那個創新實踐的課,需要跟著老師做東西,我跟了班主任,前幾天班主任讓去實驗室跟著他們搞那個無刷電機的控制方面的東西,之前也沒有怎麼接觸過,這幾天來零零散散的看了一些,主要是CSDN、論壇、和野火的電機書籍。下面就零散的記錄一些基礎的東西,分享一下,也方便自己查看學習!

學習電機簡要記錄

       說起電機,大家小時候應該都玩過接觸過那些小馬達,反正混子小時候還是挺喜歡拆那些玩的,初中開始學的物理,大概我們就明白了簡單的直流電機控制原理了,下面複習回顧一下初中高中我們學的那些最基礎的東西!

在磁極中同名相吸,異名相斥,及N極與S極相互吸引,N極與N極和S極與S極相互排斥, 下面我們來看看一個直流模型,如下圖所示。


當兩邊的線圈通上電後,由右手螺旋定則可知兩個線圈中將會產生方向向右的磁場,而中間的轉子會儘量使 自己內部的磁感線方向與外磁感線方向保持一致,以形成一個最短閉合磁力線迴路,N極與S極相互吸引, 這樣內轉子就會按順時針方向旋轉了。當轉子旋轉到如圖所示的水平位置時轉子將不會受到作用力。



但是由於慣性的作用轉子將會繼續旋轉,當轉子旋轉至水平位置時,交換兩個線圈中的電流方向, 這時轉子就會繼續向順時針方向轉動了。當轉子再次旋轉至水平位置時,再次交換兩個線圈中的電流方向, 這樣轉子就可以一直旋轉了。

下面就上面說的簡單的直流有刷電機原理簡單引出一下直流無刷電機的簡單原理

有了上面的基礎,我們再來看下面的「三相星形聯結的二二導通方式」。


下面是學習這些必須回顧的我們高中學的三個定則,高中物理必考考點哦!

"左力右電"左手定則

這個是電機轉動受力分析的基礎,簡單說就是磁場中的載流導體,會受到力的作用。



讓磁感線穿過手掌正面,手指方向為電流方向,大拇指方向為產生磁力的方向。

右手定則

這是產生感生電動勢的基礎,跟左手定則的相反,磁場中的導體因受到力的牽引切割磁感線產生電動勢。



讓磁感線穿過掌心,大拇指方向為運動方向,手指方向為產生的電動勢方向。

右手螺旋定則

用右手握住通電螺線管,使四指彎曲與電流方向一致,那麼大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N極。



這個定則是通電線圈判斷極性的基礎,紅色箭頭方向即為電流方向。

下面就是混子簡單記錄的無刷電機相關的東西:

無刷直流電機(Brushless Direct Current Motor,簡稱BLDCM)

由電動機主體和驅動器組成, 是一種典型的機電一體化產品。無刷電機是指無電刷和換向器 (或集電環)的電機,又稱無換向器電機。這是模型中除了有刷電機以外用的最多的一種電機, 無刷直流電機不使用機械的電刷裝置,採用方波自控式永磁同步電機,與有刷電機相比,它將轉子和定子交換, 即無刷電機中使用電樞繞組作為定子,使用釹鐵硼的永磁材料作為轉子,以霍爾傳感器取代碳刷換向器, 性能上相較一般的傳統直流電機有很大優勢。
無刷直流電機的定子繞組一般為星型接法,採用兩相導通三向六狀態的運行方式,每次使兩相繞組導通,第三相繞組處於懸浮狀態。在檢測到反電動勢過零點後,根據換相點滯後過零點30度電角度,進行30度電角度延時,當延時時間結束後,根據電機運轉的方式,進行電機換向,
進入下一個工作狀態。


KV值這個東西玩過無人機的應該都明白的,無人機的電機就是直流無刷電機了,電機上面都會標著這個值的和電機尺寸等參數值。

有刷直流電機是根據額定工作電壓來標註額定轉速的,無刷電機引入了KV值的概念,而讓用 戶可以直觀的知道無刷電機在具體的工作電壓下的具體轉速。實際轉速=KV值×工作電壓,這 就是KV的物理意義,就是在1V工作電壓下每分鐘的轉速。無刷直流電機的轉速與電壓呈正比 關係,電機的轉速會隨著電壓上升而線性上升。例如,2212-850KV電機在10V電壓下的轉速就是:850×10=850ORPM(RPM,每分鐘轉速)。KV值與匝數是呈反比例關係的,例如2212-850KV,匝數是30T(15圈),那在28T的情況下的KV值是:850KV×30T/28T=910KV。

三相六臂全橋驅動電路,原理圖如下圖所示。

下面這個應該也很好理解的,就上面回顧的那個電機原理,我們常見的直流有刷電機,因為有碳刷,換向器那些,採用是機械式的換相,所有驅動模塊上控制它正反轉只需要4個mos管來搭建硬體控制電路,每兩個mos是一組,類比著無刷電機也差不多,看一下上面三相星形聯結的二二導通方式那個圖應該就很好理解了,需要三組mos,也就是6個mos管來搭建電路。



在上圖中導通Q1和Q4,其他都不導通,那麼電流將從Q1流經U相繞組, 再從V相繞組流到Q4。這樣也就完成了上一節中的第一步,同理,依次導通Q5Q4、 Q5Q2、Q3Q2、Q3Q6和Q1Q6, 這也就完成了6拍工作方式。但是,單片機的引腳直接驅動MOS管還是不行的,所以這裡需要使用專用的IC來驅動MOS管。
在想讓一對MOS管導通時,是需要知道上一步導通的是哪兩個MOS管, 而且第一步中MOS管導通時轉子的位置是我們自己規定,在實際使用中啟動時轉子的位置卻是未知的, 因此,我們並不知道第一步應該導通哪兩個MOS管,所以這裡我們需要知道轉子的位置信息。但並不需要連續的位置信息,只需要知道換相點的位置即可。獲取轉子位置一般有兩種方法,一種是使用傳感器,一種是不使用傳感器。這裡以霍爾傳感器舉例子。(什麼是霍爾在後面解釋,這個也是中學知識了)


在BLDC中一般採用3個開關型霍爾傳感器測量轉子的位置,由其輸出的3位二進位編碼去控制三相六臂全橋中的6 個MOS管的導通實現換相。如果將一隻霍爾傳感器安裝在靠近轉子的位置,當N極逐漸靠近霍爾傳感器即磁感器達到一定值時, 其輸出是導通狀態;當N極逐漸離開霍爾傳感器、磁感應逐漸小時,其輸出仍然保持導通狀態;只有磁場轉變為S極便達到一定值時,其輸出才翻轉為截止狀態。在S和N交替變化下傳感器輸出波形佔高、 低電平各佔50%。如果轉子是一對極,則電機旋轉一周霍爾傳感器輸出一個周期的電壓波形,如果轉子是兩對極, 則輸出兩個周期的波形。

在直流無刷電機中一般把3個霍爾傳感器按間隔120度或60度的圓周分布來安裝,如果按間隔120度來安裝, 則3個霍爾傳感器輸出波形相差120度電度角,輸出信號中高、低電平各佔180度電度角。如果規定輸出信號高電平用「1」表示,低電平用「0」表示,則輸出的三個信號可以用三位二進位碼表示, 如下圖所示。

轉子每旋轉一周可以輸出6個不同的信號,這樣正好可以滿足我們條件。只要我們根據霍爾傳感器輸出的值來導通MOS管即可。通常廠家也會給出真值表。一般有兩個,一個是對應順時針旋轉,另一個對應的是逆時針旋轉。配套電機的真值表如下。

逆時針霍爾a霍爾b霍爾cA+A-B+B-C+C-001xxx導通導通x101導通xx導通xx100導通xxxx導通110xx導通xx導通010x導通導通xxx011x導通xx導通x順時針霍爾a霍爾b霍爾cA+A-B+B-C+C-001xx導通xx導通101x導通導通xxx100x導通xx導通x110xxx導通導通x010導通xx導通xx011導通xxxx導通

上表的意思是:當檢測到的3個霍爾傳感器的值,則導通對應值的MOS管。例如,檢測到霍爾a、 霍爾b和霍爾c分別為0、0和1,則導通B-和C+對應的MOS管,其他MOS管都要處於截止狀態。當導通對應的MOS管後電機就會旋轉一個角度,旋轉到下一個霍爾值改變為101,這時在關閉B-和C+, 導通A+和B-,這樣電機有將會旋轉一個角度直到下一個霍爾值改變, 只要我們按表中的霍爾值導通對應的MOS管電機就可按一定的方向旋轉。

在對MOS管的控制有中兩個特殊情況需要注意一下:

當按真值表中對應霍爾值導通MOS管後,就保持導通狀態不變時,此時電機就會旋轉到對應位置保持不變, 此時電路中的電能將只能轉換為熱能,不能轉換為機械能,而我們的電機繞組時候的是漆包銅線, 其內阻非常的小,電流就會非常的大,這將會產生大量的熱而導致電源或者電機被燒毀。

在上面的三相六臂全橋驅動電路原理圖中如果同時導通Q1和Q2,或者導通 Q3和Q4,或者導通Q5和Q6,只要導通以上對應的兩個MOS管, 都會導致電路中的電機不能正常工作,而MOS管直接將電源的正負極接通,這無疑將會燒毀電源或者MOS管。

霍爾是指的霍爾效應,

這一現象是美國物理學家霍爾(A.H.Hall,1855—1938)於1879年在研究金屬的導電機構時發現的。霍爾效應:當電流垂直於外磁場通過半導體時, 載流子發生偏轉,垂直於電流和磁場的方向會產生一附加電場,從而在半導體的兩端產生電勢差, 這一現象就是霍爾效應,這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾傳感器是根據霍爾效應製作的一種磁場傳感器。

三相H橋注意點

H橋一般有上臂mos和下臂mos組成,如果只是簡單的做演示上臂選pmos下臂選nmos控制電路簡單直接用單片機的io就可以驅動。但是pmos低內阻的價格高。功率上面很難做大。
這也就是為什麼基本所有的商業控制器全是nmos的原因。
但是上臂用nmos存在一個問題vgs控制電壓大與vcc 4v以上才能完全導通。

自舉電路也叫升壓電路(這個電路在三相逆變橋電路中起到很關鍵的作用)。

原理是利用自舉升壓二極體,自舉升壓電容等元件,使電容放電電壓和電源電壓疊加,從而使電壓升高(類似於升壓電路),有的電路升高的電壓可達到數倍電源電路。
這就是利用自舉來抬高電壓的。通常用一個電容和一個二級管,電容存儲電荷,二極體防止電流倒灌,頻率較高的時候,自舉電路的電壓就是電路輸入的電壓加上電容的電壓,起到升壓的作用。同時自舉電容的容值也不能過大也不能過小,需根據開關頻率選擇適當的容值。

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