无感无刷电机基础.docx
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无感无刷电机基础
无感无刷直流电机
基础原理
作者
永夜极光
技术探讨QQ
542255641
前言
1.本文主要讲解无感无刷直流电机的基础原理部分，后续深入理解强烈推荐<<无感无刷电调设计全攻略>>
2.如果发现我哪些内容讲错了，请加QQ不吝指正。
永夜极光2017年2月
1.无刷直流电机基础知识
1.1三个基本定则
搞电调不是设计电机,不要被无刷电机教材的磁路、磁导率、去磁曲线等术语吓倒，那些东西对搞电调的人来说，意义不大。
对入门开发者来说，只需要记牢三个基本定则：
左手定则，右手定则，右手螺旋定则。
1.1.1左手定则--通电导体在磁场中受到力的作用
导体受力方向
1.伸开左手，使大拇指和其余四指垂直
2.把手心面向N极，四指顺着电流的方向，那么大拇指所指方向就是导体受力方向。
力的大小:
F=BILsinθ
B为磁感应强度（单位T）
I为电流大小（单位A）
L为导体有效长度（单位m）
F为力的大小（单位N），θ为：
B和I的夹角。
1.1.2.右手定则--导体切割磁感线,产生感应电动势
电动势大小：
E=vBLsinθ
v为导体的运动速度（单位m/s）
B为磁感应强度（单位T）
L为导体长度（单位m）
θ为B和L的夹角。
1.1.3.右手螺旋定则--通电螺线管能够产生磁场
磁场方向
1.右手握住通电螺线管
2.使四指弯曲与电流方向一致
3.大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。
1.1.4.磁铁静止时的指向
静止时,条形磁铁方向与磁场方向相同
1.2电机基本概念
电动机:
电动机也叫马达,电动机是将电能转换成机械能的部件。
转子:
电动机工作时转动的部分。
定子:
电动机工作时不转动的部分。
内转子电机:
转子在定子内部
外转子电机:
转子在定子外部
绕组:
绕组就是定子或者转子上的线圈，通电后就会形成一定的磁场，从而推动转子旋转
磁极结构:
后文的磁极只标明了表面的磁极,省略了不起作用的磁极
极数:
N极,S级的总数,右图电机有6极
极对数:
一个南极（S极），一个北极（N极），算一对磁极
极对数=级数÷2,右图电机有3极对
机械角度:
就是数学中的“空间几何角度”，恒等于360度。
电角度:
磁场每转过一对磁极,导体的电动势变化一个周期,定义一个周期为360°电角度。
电角度=机械角度*极对数
若电机有K对极,那么整个定子内圆有K*360°电角度,右图电机有4对极,因此一圈是360°机械角度,1440°电角度
KV值:
输入电压每增加1伏特，无刷电机空转转速增加值
转速=KV*电压
1.比如KV=1000,那么当输入电压10V时,空转转速就是10000rpm（rpm=转/分钟）
2.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。
霍尔传感器:
霍尔传感器感应磁场方向,并输出高低电平（”1”和”0”）,根据霍尔传感器的输出值,就能确定转子的位置。
开环:
不将控制的结果反馈并影响系统
闭环:
将控制结果反馈并影响系统
死点:
转子在这些位置,电机无启动力矩,一般是转子磁场与定子磁场方向平行
软启动:
使PWM的占空比缓慢上升到设定值
N,P:
N槽数,P极数,这与电机的结构有关
顿感:
用手转动转子，可感觉到的一顿一顿的感觉
转一周顿感的次数=N和P的最小公倍数。
比如12N8P的电机，转一周将感受24次顿感。
顿感强的电机与顿感弱的电机相比，启动起来费力一些
无感无刷电机:
无感指没有霍尔传感器,无刷指没有碳刷
1.3内转子无刷直流电机的工作原理
1.3.1转子（磁铁）受力情况分析
i.转子磁场方向与外部磁场方向垂直
通电螺旋管产生磁场,磁铁受到力的作用
此时，转子所受的力矩最大（不是力最大）,转子受力转动
力矩公式（T=FLsinα）,此时sinα=1,力矩最大
ii.转子磁场方向与外部磁场方向平行
此时,磁铁受力最大,力矩=0,转子不会转动
力矩公式（T=FLsinα）,此时sinα=0,力矩最小
注重:
N,S极可以调换位置,力不变,斥力变成引力
iii.转子从垂直位置转到水平位置
由于惯性,还会继续顺时针转动,此时改变电流方向,外部磁场方向变化了,转子就会继续顺时针转动。
这样不断改变螺线管中的电流方向,那么转子就会不停转动,改变电流方向这个动作就叫换相。
注重：
何时换相只与转子的位置有关，而与转速无关。
1.3.2.三相二极内转子电机结构
实际电机绕组结构很复杂,这里只对最简单的三相两极电机原理进行分析,多极电机的原理是类似的。
1.右图显示了定子绕组的联结方式（转子未画出），三个绕组以“Y”型的方式被联结在一起。
整个电机就引出三根线A,B,C。
2.当三根线A,B,C之间两两通电时，有6种情况，分别是AB,AC,BC,BA,CA,CB
3.每次通电,根据1.1.4磁铁静止指向,转子的N极趋向于与外部合磁场方向平行
1.3.3.转动原理
注重：
转子N极始终趋向于与合磁场方向平行。
图（a）中,AB相通电，转子N极会往绿色箭头方向对齐，当转子到达图（a）中绿色箭头位置时，换相（改成AC相通电），转子就会继续转动，并往图（b）中的绿色箭头方向对齐，当转子到达图（b）中箭头位置时，再次换相，改成BC相通电，依此类推。
当外线圈完成6次换相后，内转子正好旋转一周（即360°）
转一圈的换相次数
为了保持电机转动,需要不断改变电流的方向,每完成一个电周期,需要换相6次,也就是每60°电角度要换相一次（注重是电角度,不是机械角度）
2级电机:
1圈=360°电角度,转一圈换相360÷60=6次
4级电机:
1圈=720°电角度,转一圈换相720÷60=12次
正反转
改变通电的顺序就能够实现正反转
1.4.换相位置
何时换相?
换相的时候,力矩大小会突变,如果力矩波动过大,电动机就会抖动,为了减少抖动现象,就要让力矩平滑变化,因此换相的最佳位置:
最大力矩处,落后30°电角度（电角度,不是机械角度!
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为什么在最大力矩处,落后30°电角度换相?
因为每60°电角度换相一次,因此要让力矩最大点位于转子转动的中间时刻,那么在最大转矩处落后30°电角度的位置换相,换相后转子位置超前力矩最大处30°电角度,运行30°电角度后转矩最大,再运行30°电角度后换相,整个60°运行期间,转矩波动最小。
转矩:
力矩
力矩最大位置:
转子磁场方向与线圈合磁场方向垂直
多种换相位置的转矩波动分析
（1）如果在转矩为0时换相,那么每60°电角度的转矩的变化图像如下
一个电周期换相6次,转矩变化图像如下
（2）如果在最大转矩处换相,那么每60°电角度的转矩的变化图像如下
一个电周期换相6次,转矩变化图像如下
（3）如果在转矩最大处落后30°电角度换相（与磁场方向呈（90°机械角度-30°电角度））,那么每60°电角度的转矩的变化图如下
一个电周期换相6次,转矩变化图像如下
综上所述,在力矩最大处落后30°电角度换相,力矩波动最小
注重:
不要混淆机械角度和电角度
假设是二级电机,那么换相时转子N极与磁场方向成90°机械角度-30°电角度（30°机械角度）=60°机械角度
假设是四级电机,那么换相时转子N极与磁场方向成90°机械角度-30°电角度（15°机械角度）=75°机械角度
1.5.获取转子位置
我们知道了转子的最佳换相位置,但是只有知道转子的实际位置,再结合理论进行判断才能正确换相,如何知道转子的实际位置呢?
有霍尔电机和无霍尔电机获取转子位置的方法并不同,有感无刷电机通过霍尔传感器获取位置,无感无刷电机有多种方法,常用反电动势法
有霍尔电机获取转子位置的方法--读取霍尔值
电机上装了3个霍尔传感器,根据不同的磁场强度,霍尔传感器的值为1（高电平）,或0（低电平）,如下图所示。
3个霍尔传感器,共有2*2*2=8种组合
000001010011100101110111
其中000,和111是无效组合,剩下的6种组合,每种组合都确定了转子的一个位置
无霍尔电机获取转子位置的方法--反电动势法
反电动势法就是测量第三相的反电动势,因为在AB相通电时，A,B两相切割磁感线产生的反电动势方向不变,未通电的一相（CN）反电动势方向会改变,如下图所示
反电动势:
产生的感应电动势与外加电源的方向相反,所以叫反电动势
C相电压Ec=CC’电动势+中点电压
将中点电压与Ec电压在比较器中进行比较,比较器输出会在换相后30°电角度时发生跳变（高电平变低电平,或低电平变高电平）,说明转子已转过30°电角度,到达了t0和t1中间的位置，只要再等30°就可以换相了。
一个电周期（360°电角度）,3相电机的电流和反电动势变化图
1.6.换相策略与优化
理论上比较器跳变之后30°电角度换相,问题是电机转过30°电角度到底要多久时间?
实际上到底何时换相呢?
方法一:
认为电机匀速转动,记录AB通电到C相过零的时间t,后半段所需时间也是t
方法二:
检测到过零事件后，直接换相,此方法损失一点效率,但控制简单
如何控制好换相时刻来提升电机效率?
定子产生的任意方向磁场都可以被分解平行和垂直于转子磁场方向的,正交的磁场产生旋转力,平行的磁场产生对轴承的压力,因此,一个高效的无刷电机驱动的功能就是减少相互平行磁场,让相互正交的磁场最大化。
矢量控制法
通过上面的分析,我们发现每60°换相一次,效率依然很低,进一步提升效率的方法就是矢量控制法。
固定的通电线圈产生固定的磁场方向，这完全由通过线圈的磁通大小和流经线圈的电流相互作用决定的。
三组线圈产生的磁场形成一个合磁场,通过不断改变每相线圈的电流大小,从而改变合磁场的方向,让合磁场方向与转子磁场方向始终垂直,从而提升了效率。
本攻略不详细说明矢量控制法,感兴趣味的可以自行搜索。
电机调速原理
无刷直流电机的转速和电压是线性关系,由KV值可知,转速=KV*输入电压
单片机并不能输出可调的直流电压，于是只好变通一下，用脉宽调制（PWM）方式来控制电机的输入电压,PWM占空比越高，等效电压就越高，转速越快
一圈要换相多少次?
每60°电角度换相一次
2对极1圈有720°电角度,换相720÷60=12次
4对极1圈有1440°电角度,换相1440÷60=24次
1.7梯形波/方波无刷电机磁感应强度B的分布情况
为什么反电动势波形是梯形波?
这与无刷电机的磁感应分布强度有关
梯形波无刷电机的磁感应强度
现在来看一下内转子磁感应强度的分布（图1,与图2）,定义磁感应强度方向向外为正
0~A点，磁感应强度为零，然后开始线性增加
AB段:
磁感应强度不变
B~180°:
B点开始线性下降，到180°的时候下降到零。
图1图2
根据E=BLV,转子长度不变,在磁场内近似匀速转动,那么反电动势的波形也是梯形波
方波无刷电机的磁感应强度
不同的电机,A点位置不同。
如果A非常接近0°的位置，上升和下降直线就会非常陡峭，“梯形波”就变成了“方波”。
根据右手定则E=BLV的公式，在匀速转动下，各绕组产生的反电动势波形也呈方波。
与此类似，“正弦波”电机就是一种磁感应强度呈正弦波图形分布的直流无刷电机，正弦波电机的绕组结构和梯形波电机不同，进而驱动方式也不同，需要用到矢量分析法
1.8.一种近似分析模型
之前的理论假设转子磁场的磁力线是垂直穿过绕组的导线的。
但事实上，磁力线总是倾向于沿磁阻最小的路径前进，其实并不穿过导线，见下图。
图1-21磁力线分布（摘自《IndustralBrushlessServomotors》）
如果要分析这种情况下转子的受力情况，要用到复杂的磁链路分析理论。
不过，事实上
不用这么麻烦，实验证明，高深的磁链路分析方法所得到的结果，和我们上面假设磁力线
穿过导线的分析方法所得到的结果，基本吻合。
1.9反电动势检测与处理
为什么AN和BN上产生的反电动势相加略小于电源电压（12V）?
因为线圈绕组本身的等效电阻很小（约0.1欧左右），如果反电动势不大的话，端电压加载在线圈绕组等效电阻上，会产生巨大的电流，线圈非烧掉不可。
t0时刻t1时刻
假设在额定转速下AN和BN’各产生5.7V的反电动势，那么它们串联起来就产生11.4V的反电动势，那么加载在AB等效电阻上的电压就为12−11.4=0.6V，最终通过绕组AB的电流就是0.6/（2×0.1）=3A
同理，CN之间也会产生5.7V的感生电动势；不同的是：
在AB相通电期间，CN的感生
电动势会整个换一个方向，也即所谓的“过零点”。
由于中点电势值始终为6V，CC’的线圈产生的感生电动势只能在以中点6V电势为基准
点的基础上叠加，仍旧假设在额定转速下CC’上会产生5.7V的感生电动势，那么C点的电压，变化范围就是0.3V~11.7V；（6-5.7=0.3V,6+5.7=11.7V）
也就是说，在AB相通电期间，只要一直监测电机的C引线的电压，一旦发现它低于
6V，就说明转子已转过30°到达了t0和t1中间的位置，只要再等30°就可以换相了。
这时候模拟比较器的作用就来了。
一旦C相输出电压低于6V，比较器马上可以感知并在输出端给出一个下降沿。
同理，任意两相通电,第三相都可以检测出一个比较器跳变。
消磁问题
理论上比较器只会输出一次跳变,实际上比较器可能输出多次跳变,因此在软件中要进行特别的处理。
理论图:
实际图:
原因分析:
理论只考虑了切割磁力线产生的反电动势，没有考虑线圈自身的电感。
在AB到AC的换相过程中，由于B相电流突然减小，产生感应电动势，方向和电源电压相同,与切割磁感线的电动势相反，并叠加在中点之上，此时B端电位高于中点电位。
注重（a）图中B线圈的感生电动势是导体切割磁力线产生的，而（b）图中的续流电动势是B线圈自身的电感产生的（其大小要高于切割磁力线的感生电动势大小）。
当B相能量消耗完之后,切割磁感线产生的反电动势又起主要作用
实测感应电动势波形:
图中细细的直线就是假过零事件,需要在软件中进行特别的处理
1.10无霍尔电机启动方法
三段式启动法:
（1）预定位
开始不知道转子位置,先给任意两相通电,等待一段时间后使下一个相邻状态通电（通电一次,转子可能位于死点,通电两次,转子一定会转动）,这一磁场能将电机转子强行定位于这个方向上。
转子最终会停留在一个确定的位置,然后进入加速阶段
预定位的PWM占空比和时间由具体电机特性和负载决定，在实际调试中测得。
若时间太短则不能保证完成，时间太长又會造成过流，必须通过反复试验制定合适的通电时间。
而且若启动时的负载变化，通电时间也要变化。
（2）加速运行阶段
在经过一段时间的延时之后输出相应的PWM调制信号，对直流无刷电机进行开环控制。
由于电机的换相逻辑是外部强制输入的，PWM的占空比过大会使电机产生过大的转矩，导致转子在运行过程中发生振荡。
因此PWM信号的占空比应该从克服转子惯性所需的最小值开始，逐渐提升，加大电机的供电电流。
同时应逐渐减少换相之间的等待时间，提升电机的转速。
加速分三类,各有优缺点。
：
●换相信号频率不变，逐步增大外施电压使电机加速，称为恒频升压法。
●保持外施电压不变，逐渐增高换相信号的频率，使电机逐步加速，称为恒压升频法。
●在逐步增大外施电压的同时，增高换相的频率，称为升频升压法。
升频升压法给电机施加一个由低频到高频不断加速的他控同步切换信号，而且电压也在不断地增加。
通过调整电机换相频率，即可调整电机起动的速度。
调整方法比较简单。
但难实现，切换信号的频率的选择要根据电机的极对数和其它参数来确定，太低电机无法加速，太高电机转速达不到会有噪声甚至无法启动，算法比较困难。
此阶段电机控制是盲区。
参数在调试好的时候，可以快速切换至正常运行状态；而参数不理想时，电流可能不稳甚至电机会抖动。
因此，应根据电机及负载特性设定合理的升速曲线，并在尽可能短的时间内完成切换。
（3）开环控制切换到闭环控制
在加速阶段开始时，位置检测模块便开始工作，不断地检测反电动势的过零点。
当连续检测到三个过零事件时，说明电机当前的转速及反电势的幅值达到了无传感器运行的要求。
此时将电机切换至无位置传感器控制模式
1.11常见问题
1.11.1为什么电机堵转,电流很大?
正常工作时,电机旋转产生反电动势,实际加在两相电阻上的电压很低,电流很小
堵转时,电压全部加在导通两相的电阻上,电流就变得很大
以上图为例,假设AB两相之间的电阻为1Ω
正常工作时,反电动势为11V,那么加在电阻上的电压是1V,电流=1V/1Ω=1A。
堵转时,反电动势为0V,加在电阻上的电压是12V,电流=12V/1Ω=12A。
1.11.2mos驱动的死区时间是什么?
有什么作用?
MOS驱动控制MOS管:
HO控制MOS上管
LO控制MOS下管
1表示高电平
0表示低电平
HO=1,MOS上管导通
HO=0,MOS上管截止
LO=1,MOS下管导通
LO=0,MOS下管截止
如果上下管同时导通,2个MOS管就烧了,因此要避免HO,LO同时为1
死区时间:
下图DT是死区时间,DT保证了HO和LO不能同时为”1”（高电平）
硬件死区时间原理:
每当电平改变时,HO,LO两者中的高电平先变成低电平,延迟DT的时间,低电平再变成高电平
1.11.3死区时间有哪几种?
死区时间太短为什么会导致MOS烧坏?
死区时间分类:
硬件自带死区时间:
比如MOS驱动自带死区时间
软件设置死区时间:
根据死区时间的原理,在软件中延迟一定时间再改变电平
死区时间不足导致MOS管烧坏的过程分析:
1.理想情况:
MOS瞬间开关
2.实际情况:
MOS完全导通,关闭需要时间
1.11.4建立I/O----MOS驱动----MOS的输入输出表
要按顺序导通MOS管,那么换相代码中就要有一个数组,专门控制引脚电平,假设导通顺序如下图所示:
4.1用逆推法,先表示出MOS的的导通顺序
U+
U-
V+
V-
W+
W-
导通
导通
导通
导通
导通
导通
导通
导通
导通
导通
导通
导通
4.2根据MOS的导通顺序,推导出MOS驱动的输入,我用的MOS驱动是IR2103,IR2103的输入/输出表如下图所示:
根据输入/输出表,列出MOS驱动的输入（也就是I/O的输出）
1.11.5.驱动电机的PWM频率的范围一般是多少?
12K-16KHZ
频率太低了,会有噪声
频率太高,MCU每次采样处理的时间就很短
1.11.6马达低速运转是很困难的,通过变速箱来降低转速
1.11.7MOS耐压值如何选择?
VDD*1.5
1.11.8为什么启动的时候占空比要小,之后慢慢加大?
电机启动时的反电动势很小,整个电路的阻值较小,占空比太大,就会有大电流,烧毁mos
同侧和不同侧mos,只要电流过大,就会烧毁
1.11.9我用的是47uf的自举电容,这个自举电容的取值要考虑很多东西,目前我还不清楚如何选择
1.11.10.为什么不选择3路PWM,3路I/O输出的方案,而要选择6路都是PWM的输出方式?
因为mos存在开关损耗,发热量很大,6路PWM输出可以将热量均匀分布到每个mos
3路PWM,3路I/O方案:
6路PWM方案:
1.11.11电机运行的时候不能设断点,不然会烧毁mos
因为打了断点的时候,PWM和I/O输出不会停止,这样就存在一路MOS持续导通,很容易烧毁mos
1.11.12有霍尔电机反转真值表的原理
（1）霍尔传感器只能探测出电机处于某个60°的区域,例如在A区域,霍尔值都是101
（2）假设电机顺时针旋转,只要N极位于A区域,那么根据本章节1.4可以知道,要施加
方向的合磁场,如下图
依次类推,可以推导出如下对应关系
（3）假设电机逆时针旋转,只要N极位于A区域,根据本章节1.4可以知道,要施加
方向的合磁场,如下图:
依次类推,可以推导出如下的对应关系
1.12异常处理
1.电容两端电压异常
电容的下端电压一般为E下=4V,上端电压为Vcc+E下,如果电容上端和下端电压比正常值低,那么可能是mos或者连接到mos的电阻虚焊了
1.13一些经验
1.13.1pwm波频率大小和电动机运行状态的关系?
频率越高，速度越稳定，但是损耗也越高，一般是10-20KHz范围吧。
提升PWM频率还有助于提升整个电机系统的响应频带，是系统快速响应性能好，动态抗扰水平强。
同时低速运行平稳，调速范围宽。
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