无刷电机驱动原理介绍

无刷直流电动机是一种用外部电路实现换向的直流电动机。从下图中我们可以看到无刷直流电动机在结构上与有刷直流电动机正好相反,它的定子作为电枢,永磁体作为转子。它的电枢绕组一般为三相,可接成星形或三角形。各相绕组外接换向电路。有刷电机的换向器与碳刷会产生机械损耗,改变电流时还会产生电火花,这限制了直流电机的应用。而无刷直流电机没有换向器和电刷,也就不会有这些限制,所以无刷直流电机的应用范围更广,也更加稳定可靠。

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无刷直流电机结构

和所有电机一样无刷直流电机利用磁场吸引力产生驱动力,为了维持电机转动需要周期性改变磁场力方向,产生的磁场吸引力必须往一个旋转方向驱动转子。本方案选择可变电感法在电机启动时辨识转子位置,能在不同启动负载情况下,实现可靠的启动;采用直接反电势的无位置控制方法,简化了反电动势检测的外部电路,能在低速和高速的情况下都能很好的估算电机位置。本方案控制器选用 STM32F401CCU6 芯片为控制单元。

系统总体设计本系统根据可变电感法电感法利用电流采样电路测得电机在启动时的转子位置,根据直接反电动势法利用端电压采样电路测得电机在高速运行时的转子位置,通过 PWM 波导通桥臂实现换向和调速。系统框图架构如下图所示 。

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STM32F4 控制核心 : 系统的控制逻辑处理单元 。 控制核心选用STM32F401CCU6 芯片,其内核为 Cortex®-M4,工作频率为 84 MHz 的,具有单精度浮点运算单元(FPU),具备DSP 指令,FPU 与 DSP 指令加快了代码速率,这对于控制无刷直流电机值非常有利的。

MOSFET 驱动电路:由 3 路 MOSFET 半桥,3 路 IR2103S 驱动芯片组成。

作为驱动和实现电机换向与调速的功率电路。MOSFET 型号采用耐压 30V 的IRLR3103,驱动芯片选用 IR2104S。

端电压采样电路:由 9 个电阻和 3 个稳压管组成分压网络,分压后的电压信号直接接入 STM32F4 的 ADC 采样 IO 口。

电流采样电路:由采样电阻和运放电路组成,负责采集电机电枢绕组电流。

外部控制信号:参考电调控制信号,选用 PWM(脉冲宽度调制)信号作为控制信号。

电机运行波形图

运行电压波形

PWM 波频率 20K,占空比 40%电压波形如下图所示。

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运行电流波形

PWM 波频率 20K,占空比 40%电流波形如下图所示。

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STM32F4高性能直流电机能控制电机在 10%至 100%占空比的范围内良好运行。实际上在负载比较小的情况下,本设计能在占空比 2.5%的情况下控制电机运行,且换向性能良好。

可变电感法启动在驱动电机转动时电流变化平稳,对电机与电路冲击较小。可变电感法启动更加稳定,没有出现反转的现象。

总结

本方案设计了无刷直流电机控制器。利用 STM32F4 高性能 ARM 芯片作为控制核心。实现了在启动、低速、高速所有运行情况下对电机位置的辨识,并实现了很好的换向策略。而且本设计能很好得适应不同负载,包括在启动阶段能实现应对不同负载无反转的顺利启动。

行业分类 : 工业电子

开发平台 : STM 意法半导体

交付形式 : PCBA

性能参数 : 利用 STM32F4 高性能 ARM 芯片作为控制核心。

应用场景 : 电机控制