BLDC无感方波电机控制 无感方波低速启动方案
反电动势过零检测
它的主要核心就是通过检测定子绕组的反电动势过零点来判断转子当前的位置。
三相六状态 120°通电方式运行的无刷电机在任意时刻总是两相通电工作,另相绕组是浮地不导通的。这时候非导通绕组的端电压 (从绕组端部到直流地之间) 或相电压 (从绕组端部到三相绕组中心点之间) 就反映出该相绕组的感应电动势(BEMF)。
BLDC 电机的 BEMF 波形随转子的位置和速度变化,整体上呈现为梯形。
下图给出了电机旋转一个电周期中电流和反电势波形,其中实线代表电流,虚线代表反电动势,横坐标为电机旋转的电气角度。
BLDC “六步换向”控制理论:
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在任意时刻,三相 BLDC 另有两相通电,另一相开路,三相两两导通,共有 6 种组合,
以一定的顺序每 60°变化一次,这样产生旋转的磁场,拉动转子跟着转动。
这里的 60°指的是电角度,一个电周期可能并不是对应一个完整的转子机械转动周期。
完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子的磁极对数。每对转子磁极需要完成一个电周期,因此,电周期数 ÷ 转数 = 转子磁极对数。
控制 BLDC 的关键就是确定换相的时刻。
由上图可以看出,在每两个换相点的中间都对应一个反电动势的磁极改变的点,即反电点势从正变化为负或者从负变化为正的点,称为过零点。利用反电动势的这个特性,只要能够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。
反电动势检测的缺点:
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低速或转子静止时不适用,这是所有反电动
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势法的共同缺点。
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电压比较器对被检测信号中的毛刺、噪声非常敏感等等。
如何检测过零点呢? 又如何通过过零信号判断当前转子位置呢?
反电动势过零点都发生在不通电的那一相。
比较器模式采样过零信号
由于 BLDC 电机的 Y 形连接,三相都接到公共的中性点,相电压无法直接测量。只能测量各相的端电压。
如下图所示:
通常将非通电绕组的端电压用于无传感器控制时,称为端电压法,即各相对地的电压,然后与中性点电压比较,当端电压从大于中性点电压变为小于中性点电压,或者从小于中性点电压变为大于中性点电压,即为过零点。
但是一般的 BLDC 电机都没有中性点的外接引线,所以无法直接测量中性点电压。解决这个问题最直接的办法就是重构一个"虚拟中性点”,通过将三相绕组分别通过阻值相等的电压连接到一个公共点而成,这个公共点就是虚拟中性点。
下图(B)中是用的外部硬件比较方式,一些MCU芯片包含了比较功能,在设计驱动电路时就不需要额外的比较电路了。
以 U 相来说明:U 相反向电动势和中性点信号通过 U8B 比较器输出过零点信号 ZERO_U。
闭环的建立
每一相的反电动势都有两种过零情况:从正变为负和从负变为正。三相共有六种过零情况对应六种换相状态,并且这种对应关系是固定不变的。(与有感类似并对应换向表)
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将这个对应关系写入一个表中,程序中每检测到一个过零点,就通过查表来决定相应 I/O 输出状态,控制下一步哪两相通电;
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然后切换到当前断开相继续检测反电动势过零点,如此循环,直至建立稳定的闭环。
理论上,过零点总是超前换相点 30°电角度。因此在检测到过零点后,要先延迟 30°电角度再换相。但是在闭环调速过程中,电机旋转一个电气周期的时间不是固定不变的,因此无法预测在检测到过零点后接下来的这 30°电角度是多长时间。那么在检测到过零点之后,怎样决定延时时间呢?
虽然无法预测接下来的 30° 电角度是多长,但是刚刚过去的上一个换相周期,即两个换相点之间 60° 电角度的长度是可以测量的。于是可以采用近似的办法,用上一个换相周期,即 60° 电角度的时间减半,作为接下来的 30° 电角度延时时间。这种办法是可行的,因为电机的转速是渐变的,相邻两个换相周期的时间相差不会很大。
由于定子绕组的反电动势与电机的转速成正比,所以电机在静止时反电动势为零或低速时反电动势很小,此时无法根据反电动势信号确定转子磁极的位置,因此反电动势法需要采用特殊起动技术。
BLDC 方波启动技术
从静止开始加速,直至转速足够大,当反电势能检测到过零信号时,再切换至无刷直流电机运行状态。这个过程称为 “三段式”起动,主要包括转子预定位、加速和运行状态切换三个阶段。
转子预定位
要保证无刷直流电机能够正常起动,首先要确定转子在静止时的位置。
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系统起动时,任意给定一组触发脉冲,在气隙中形成一个幅值恒定、方向不变的磁通,只要保证其幅值足够大,那么这一磁通就能在一定时间内将电机转子强行定位这个方向上。
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在应用中,可以在任意一组绕组上通电一定时间,其中预定位的 PWM 占空比和预定位时间的长短设定值可由具体电机特性和负载决定,在实际应用中调试而得。
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在预定位成功后,转子在起动前可达到预定的位置,为电机起动做好准备。
电机的外同步加速
确定了电机转子的初始位置后,由于此时定子绕组中的反电动势仍为零,所以必须人为的改变电机的外施电压和换相信号,使电机由静止逐步加速运动,这一过程称为外同步加速。
对于不同的外施电压调整方法和换相信号调整方法,外同步加速可以划分为三类:
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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。
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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。
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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。
电机运行状态的转换
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,在应用中,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。
无感驱动的整体框图
程序部分
预定位这里,首先让转子固定在某一个位置,比如U+V-,然后以执行一定的换向顺序(此时与过零信号无关),用升频升压法,先让电机转起来,然后一边去检测过零信号是否稳定,待电机稳定运行并且过零信号已经可以稳定检测到,就切换到过零检测换向控制。
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BLDC 电机控制:无传感器无刷直流电机控制器
无刷直流电机与标准有刷电机相比,具有显著优势。无刷直流实现可以是无传感器的,也可以基于集成到电机中的霍尔效应传感器(第三种选择是使用外部角位置传感器)。无传感器系统降低了成本,并且需要更少的驱动器模块和电机之间的互连;它们可能有些复杂,但高性能集成电路有助于简化设计任务。虽然无传感器系统通常更可取,但对于低速应用,使用霍尔效应传感器可能是更好的选择。
넶16 2024-09-23 -
BLDC无感方波电机控制 无感方波低速启动方案
控制 BLDC 的关键就是确定换相的时刻。在每两个换相点的中间都对应一个反电动势的磁极改变的点,即反电点势从正变化为负或者从负变化为正的点,称为过零点。利用反电动势的这个特性,只要能够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。
넶24 2024-09-23 -
无刷直流电机“有感”和“无感”的区别
“有感”是无刷电机内部集成了霍尔传感器,当转子在电机不同位置时,霍尔传感器输出对应的位置信号,控制电路接收到转子当前位置,进而控制打开关闭不同的电子开关管给定子线圈通电从而产生磁力吸引转子永磁体向下一位置转动。 “无感”即是无刷电机内部没有集成传感器,采用了其它方式来检测转子位置。常用的为“反电动势法”,反电动势比较法又分为“硬件比较”和“软件比较”,其中软件比较法相对耗费单片机资源,程序相对较复杂,且对检测时刻要求比较严格,硬件比较法不需要复杂的程序,只关注硬件比较后的果进行换向即可,但会增加硬件成本。
넶48 2024-09-23 -
BLDC电机应用:直流无刷电机驱动原理&有感闭环控制&无感闭环控制
本文详细介绍了直流无刷电机(BLDC)的工作原理,包括驱动原理、有感和无感速度闭环控制。针对有感控制,讲解了霍尔传感器的作用和速度闭环控制的PID算法。而对于无感控制,阐述了通过反电动势检测过零点实现电机位置判断的方法。
넶9 2024-09-23 -
高速吹风筒方案:三相无感FOC电机驱动
高速吹风筒采用的三相无感FOC电机驱动方案,该方案通过高转速无刷电机和精确控制实现高效、低噪、小型化,显著提升干发效率。11万转无刷电机控制板,给风筒提供核心动力。转速高出普通电机数倍,输出飓风级动力,大大提升干发效率。应用于新一代噪声低、高速、体积小 、重量轻的风筒机驱动系统中。
넶14 2024-09-23 -
BLDC电机驱动方案:无刷无霍尔BLCD电机控制驱动板
无霍尔BLDC不需要霍尔效应传感器,通过检测定子绕组的反电动势过零点来判断转子当前的位置。与有霍尔的方案相比,最明显的优点就是降低了成本、减小了体积。且电机引线从8根变为3根,使接线调试都大为简化。另外,霍尔传感器容易受温度和磁场等外界环境的影响,故障率较高。因此,无霍尔BLDC得到越来越多的应用,在很多场合正逐步取代有霍尔BLDC。
넶15 2024-09-21 -
高速吹风机和普通吹风机有什么区别?
高速吹风机和普通吹风机相比,高速吹风机通过使用高转速无刷电机,和优化风道实现高转速、高风速。传统吹风机的电机一般使用的是碳刷电机,转速较慢,转速一般是每分1-2万转;而高速吹风机一般采用无刷电机,转速可达到每分钟10万转以上,因此风速更高。其次,风道设计不同,我们知道在刮风天气,窄巷子里的风力和风速会比平坦宽阔地带的更高,如果窄巷子又呈喇叭状,在出风口处的风则会更急促,高速吹风机就是基于此原理进一步优化风道设计,使风速和风力进一步提高,因此风速和风力更高。此外,由于传统吹风机的电机转速有限,如果想要快速吹干头发就需要提高蒸发温度(风温),所以传统吹风机在吹头发时有高温炙烤的感觉。高速吹风机有了高风速,加快了发丝表面的空气流通速度,使发丝表面水分快速蒸发,保住发丝内部水分和营养成分,就可以降低风温,同样能达到快速吹干头发的目的,是真正意义上的吹干,所以吹干头发后头发就不会毛糙无光泽。
넶157 2024-07-03 -
BLDC电机换向原理
BLDC电机换向的原理 三相BLDC电机设计解析-ADA4571 使用各向异性磁阻 (AMR) 技术。一种典型的实施方式是在 BLDC 电机轴的末端安装一个径向磁化圆盘。圆盘的磁场穿过传感器的平面,并且在机械和电气部件之间不接触的情况下确定转子角度。BLDC 电机拥有卓越的速度与扭矩特性(启动时的扭矩除外)、更动态的响应、无噪音运行和更高的速度范围。
넶51 2024-07-02 -
无刷直流电机(BLDC)构成及工作原理详解
无刷直流电机(BLDC)是永磁式同步电机的一种,而并不是真正的直流电机,英文简称BLDC。区别于有刷直流电机,无刷直流电机不使用机械的电刷装置,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料,性能上相较一般的传统直流电机有很大优势,是当今最理想的调速电机。无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢,转子是永磁体。如果只给电机通以固定的直流电流,则电机只能产生不变的磁场,电机不能转动起来,只有实时检测电机转子的位置,再根据转子的位置给电机的不同相通以对应的电流,使定子产生方向均匀变化的旋转磁场,电机才可以跟着磁场转动起来。
넶246 2024-02-27 -
高速吹风筒无刷电机驱动方案
高速风筒应用方案——吹风机PCBA方案设计,针对高速吹风筒市场,盛矽电子推出11万转以上的高速风筒的整体解决方案,满足高速吹风筒的所有应用场景,让客户使用semxi的技术以便能更快的产品量产化。
넶129 2024-01-17