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【武DIY】三相无刷直流永磁电机驱动设计

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集成块儿
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助理工程师
  • 2015-9-3 04:51:15

系统框图

系统框图


1 简介

这篇文章结构是这样设想的:首先是介绍一下三相直流电机以及我们将要用的控制思路,其次会描述电路设计的思路,接着就阐述试验的目的和方法并给出结果,最后是一些讨论。

1.1 无刷直流电机

相信大家都拆过四驱车之类小东西里面的小马达,在里面旋转的那个叫转子,转子上绕着线圈,通过一个换向器和电刷接到外面的引线。转子通过轴承固定在某个外壳,壳里靠近转子的地方会放永磁体,成为定子。通电后转子产生和定子相同的磁极,并根据异性相吸同性相斥的原理产生力矩推动转子转动。
如果把有刷电机的转子和定子反过来,也就是把磁铁安到转子上,把线圈作为定子,那么这就是无刷直流电机。顾名思义无刷电机没有电刷,又没有有刷电机带的换向器,因此无刷电机需要外置的电子驱动来产生旋转的磁场推动转子转动。比起有刷电机,无刷电机可靠性好,寿命长,速度高,缺点即为需要较复杂的驱动装置。

如果把无刷直流电机的引线接到示波器上,用外力匀速的旋转转子,那么引线上就会产生一个电压,这叫做反电动势(BEMF)。如果这个反电动势看上去像是梯形,那么通常这种无刷电机就叫做无刷直流电机(BLDC, BrushlessDC)。如果这个反电动势是正弦形,那么这类电机就叫做永磁同步电机(PMSM)。电气意义上这两种电机是一样的,驱动BLDC的驱动器同样可以用在PMSM上,反之亦然,只不过如果这样做的时候会产生一些额外的力矩纹波。
对于BLDC(或者PMSM)来说,当定子绕组产生的磁场和转子自身磁场正交90度(270)的时候,产生的力矩最大,为0度(180)的时候,产生力矩为零。因此要高效率的驱动这样的电机,我们需要使定子绕组产生的磁场尽量和转子磁场处于正交位置,这就需要知道定子的位置。因此BLDC又可以分为有传感器和无传感器两种。

电机磁场

电机磁场

很多类型的传感器都能够检测转子的位置,常见的比如用霍尔元件,或者用编码器Encoder。多出来的传感器提高了电机的制作成本并需要增加额外的电路,因此在一些只需要速度信息的应用中,比如洗衣机,压缩机,风扇等,更倾向于使用不需要传感器的BLDC

不带传感器的BLDC在旋转的时候可以利用一些有趣的电压特性来确定转子位置,在这里不过多阐述。但是这些特性在电机停转的时候并不明显,因此需要一个启动的过程。一般启动的过程为,忽略转子的位置在哪,给定子施加一个加速旋转的向量,让转子先跟着转起来,转速上来后再切换为闭环状态并跟踪转子位置。这种方法的缺点就是启动的时候由于不知转子位置,施加的旋转磁场未必和转子处于正交状态,因此效率很低,在大负载的时候往往启动失败。当然这几年随着DSP的发展,也有很多的办法出现来解决这个问题,比如本文所用的信号注入法。

信号注入法是根据电机的磁饱和和凸极特性,在驱动信号中注入高频信号并加以分析,从而确定转子的位置,转子位置确定后便可以以最大力矩启动电机。

1.2 驱动器框图

本文打算设计一种驱动器,硬件上可以驱动任何三相无刷电机,包括感应电机,预计达到的主要指标如下:

  
最大输入电压
  
DC500V(取决于功率器件)
最大输出电压
500V(取决于功率器件)
最大电流
10A(取决于功率器件)
控制界面
UART,预留CANRS485
CPU
F28069
控制方式
三相,正弦,无感应器,最大力矩启动

本文所用的驱动器原理框图已经给出。首先电机的三相电流和电压先被采样,采样后的电流首先进行CLARK坐标变换,将三相120度错开的电流投射到直角坐标上。然后根据转子的位置,将直角坐标上的电流再投射到转子上(PARK变换),这样我们就可以知道在某一时刻,施加在转子上面的矢量电流(也就是磁场)在转子磁场方向的是指向什么位置,大小强度是多少。推动转子旋转方向的电流我们称为Iq ,另一个和转子磁场方向相同的电流称为Id
通常情况下将令Id=0,那么所有的电流分量将产生于和转子方向正交90度的方向上,从而产生最大的力矩。这种控制也称之为矢量控制。

我们这里将IdPID控制器参考值置零,并将Iq的控制PID外额外再镶套一个PID速度控制。PID的结果进行反PARK变换,得到直角坐标的电压控制量,经过SVPWM将其投射在一个由6个管子组成的三相半桥中。

你会发现如果只用其中一个半桥并加入变压器,便成为半桥变换器。如果用两个半桥臂,便可以做全桥或者移相全桥的数字变换器。在硬件设计的时候会预留一些额外的辅助采样来预留你开发数字电源或者三相逆变器的功能。

电机驱动这类的强感性应用需要半桥里的mosfet有较快的反向恢复,借此机会我们看一看国产的技术水平达到一个什么程度,最为对比,会用Rdson也是160mOhm 的产品SCH2160和龙腾LSB20N60F作为对比。

1.3 一些建议

没有人娘胎里生下来就能读懂这些东西。在参与讨论之前建议看看电机学基础,数字控制基础并且希望你能知道DSP控制至少懂得MCU编程。不提供任何源代码或者其他源文件,但制作完成后会提供执行文件以及Gerber供兴趣爱好者制作。最后就是希望回帖不要少于20个字。


本帖最后由 集成块儿 于 2015-10-29 05:08 编辑

brsys_
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本网技师
  • 2015-9-3 09:16:54
 
一起看看,时间不要太长啊。
brsys_
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本网技师
  • 2015-9-4 10:07:41
 
调出SVPWM是重点,其它都是辅助。
接下来的部分呢.

THTTH1982
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  • 2015-9-5 11:49:38
 
研究一下电动车,在研究一下光驱。这里面全是无刷控制。高速的东西。
集成块儿
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助理工程师
  • 2015-9-7 03:10:42
 
2 电路
2.1 电图原理
当不考虑任何EMI的时候电路会好画很多,坛子里很多兄弟做这个都很厉害,需要的时候自己改改就行。因此这个电路也不考虑EMI。

ACDCAC

ACDCAC

系统概括原理如图,输入到输出是不是有很熟悉的感觉?从左到右从输入到输出,首先为AC-DC整流,将240Vac输入变为大约320Vdc左右的直流,这个大家再熟悉不过了,有兴趣的兄弟可以将此部分换为PFC以提高PF值。之后是储能电容,电容后为三相开关半桥(功率级),用以将DC转为电机所需旋转电流(磁场)。如果将电机换为滤波器,这里就变成了三相逆变器。

设计的时候我们让电容和AC桥堆可以断开,这样便可以用外置的DC源作为调试。
2.1.1功率级

功率级为3套相同的半桥组成,每个半桥分为上下两管。整个功率级一共使用6只mosfet。其中一相如图所示。除了上管驱动为浮驱外,上管驱动和下管驱动基本一致。为保证mosfet完全关闭,在GS添加了泄放电阻和本地PNP,布线时此PNP应该尽量靠近管子,以保证在电机电流回流瞬间能够防止导通。

每个半桥的下臂串上小阻值功率电阻用来测电流,电流经过运放放大后加入1.6V的偏置量,然后送往ADC。ADC动态范围为0~3.3V,在1.6V的偏置下,

最大可测电流为1.6*(2.2K/47K)/0.01R = 7.49A

最大可测电压为3.3*(10+750*3)/10 = 745.8V

3phbridge

3phbridge

世纪电源网-小王
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  • 2015-9-7 14:47:52
 
陶工 可以把英国的技术讨论一下哈。。。
集成块儿
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助理工程师
  • 2015-10-29 05:07:37
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电路图附上

sch 1

sch 1


sch 2

sch 2


sch 3

sch 3


sch 4

sch 4


正在布线...

layout 1

layout 1




HVMOTORDRV_Project.PDF

1.51 MB, 下载次数: 186, 下载积分: 财富 -2

wait6875
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  • 2019-3-12 19:41:53
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谢谢分享
cyx7610
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  • 2019-3-17 10:29:23
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做到无极变速,不抖动吗?
xkw1cn
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  • 2015-9-7 10:46:50
 
能不能避免抖动;零速带载启动?
集成块儿
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助理工程师
  • 2015-9-7 16:49:54
 
高频注入就是为了零速或低速启动的,但是和电机凸极性和磁饱和特性有关,不是每种都能做。一般来说那种大的凸极机,比如洗衣机用的,都可以用注入法来检测低速转子位置。转子位置检测到后,启动和有刷电机无异,都可以做到无抖动。
xkw1cn
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  • 2015-9-7 16:54:42
 
理论上是这样。不知楼主这次是否打算这么做?
集成块儿
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LV3
助理工程师
  • 2015-9-7 18:19:23
 
实际上也是这样,但是对于Iq和Id有耦合的电机更难选参数些,这次不一定会使用这部分代码,可能还是用普通的启动。这帖子目的是为了验证龙腾的管子,加上给网友抛砖引玉做一个开发板,软件源码不需要公布。

xkw1cn
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  • 2015-9-7 20:50:38
 
好的!如果能到20000转,就用你的方案做个无人机动力!等你!
nc965
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  • 2015-9-15 08:59:05
  • 倒数10
 
很好,了解一下,目前销量最大的电动车无刷电机的驱动达到一个什么水平?还存在什么问题,控制上还有何种机会进一步突破?
huanying
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高级工程师
  • 2015-9-15 13:35:21
  • 倒数9
 
我用的是28035,我们很相似,有机会交流一下
集成块儿
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LV3
助理工程师
  • 2015-9-27 15:41:26
  • 倒数8
 
特斯拉用的是改进DTC,不过他们用的是induction motor,节约成本的同时基本不存在启动的问题。目前的研究很多都放在如何通过减少(电流)力矩纹波和提高效率上,这就需要进一步提高转子位置(或者flux)的估算法,以及完善电机动态模型
THTTH1982
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版主
  • 2015-10-29 10:27:06
  • 倒数6
 
你的图上的磁极不是固定的,是NS变化的、才能产生旋转磁场。
nc965
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版主
  • 2015-10-29 10:50:45
  • 倒数5
 
这个领域比较陌生,但也很感兴趣,特别想知道基本原理方面的东西,比如:
1、你给出的是3相驱动,共6个3对定子磁极1对转子永磁磁极,如果磁极更多,是不是更好一点?好在哪里?
2、你说180度最给力,显然只是个概念,因为转子在转,磁极驱动脉冲占空时间间隔内已经发生了偏转Δt,就不是180度了,究竟多少度最给力?
3、最关心的是效率,电路最高效的是矩形驱动,但电机最高效的应该是正弦驱动,如何把这二者结合起来?
longwang
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LV8
副总工程师
  • 2015-10-29 13:26:36
  • 倒数4
 
这个方案可以用做车型模型用啊,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
conjet
  • conjet
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