参考文章:《【机械自动化】BLDC驱动器ESC》。
控制直流无刷电机和控制直流有刷电机的最大区别有两点:
1、有刷直流电机使用用两个驱动桥臂,无刷直流电机需要使用三个驱动桥臂。
2、有刷直流电机使用碳刷换相,无刷直流电机需要外部控制换相。
这里为了简化,没有使用霍尔传感器以及参考文章中介绍的反电势法(BEMF)原理进行换相检测,这里使用的方法是“猜”,“猜”法很简单,就是我觉得该换相了,就换相,如果换相快了,转子跟不上就会抖动,如果换相慢了,转子会跟着转得慢而已,那么就控制换相速度稍微慢点就行了。
核心电路图如下:
上图中使用的是PMOS加NMOS组成单个桥臂,PMOS的缺点是内阻较NMOS大,所以可能会发热较严重,但是控制方便,使用一个小的NMOS或者NPN三极管就可以驱动,但是如果上桥臂的MOS管使用NMOS的话,正常工作的时候NMOS的漏极电压会很高,导致栅极需要更高的电压才能导通NMOS,这时候需要比较复杂的控制电路或者半桥栅极驱动器IC(如IR2104STRPBF)完成这个功能。我的实验电机不需要很高的电流,这里还是选择了控制简单的PMOS作为上桥臂。但是注意电路中的R12、R13、R14在实际焊接的时候使用1K或者0欧,这样会让Vgs的绝对值较大,这时候MOS管的内阻Rds会较小,驱动电流大,MOS管自身发热量小,但是如果电机的工作电压很大的话(12V、24V),需要适当调整R12、R13、R14的大小,防止Vgs的值过大烧坏MOS管,具体值参考MOS管的数据手册,这里我使用的是集成PMOS+NMOS管的AO4606或者AO4616芯片:
PCB打样回来了:
焊接完3相桥臂和IO接口:
与3D模型对比:
电路板上面的是MCU部分,没有使用,直接把IO_A1、IO_A2、IO_B1、IO_B2、IO_C1、IO_C2使用排针引出来,直接使用开发板测试就行了,懒得焊接。
IO_A1、IO_A2、IO_B1、IO_B2、IO_C1、IO_C2是分别控制三个桥臂的信号,注意IO_X1和IO_X2信号不可以同时为高,否则会导致桥臂短路,容易烧坏MOS管,同时在程序中最好先将为0的信号先设置为0,然后再设置不为0的信号,这样可以避免短路。同时为了可以精确控制,所有IO_X1和IO_X2信号都是使用PWM驱动,因为我想实现类似步进电机的功能,可以精确控制无刷电机的转动角度。
无刷电机的换相顺序如下图,一周期总共需要6次换相,分为6个状态,分别为导通顺序分别为AB、AC、BC、BA、CA、CB,按道理软件上只要这样的换相顺序就能让电机转动。
PWM通道设置以及测试代码:
volatile unsigned int *A1 = &TIM1 ->CCR3;volatile unsigned int *A2 = &TIM1 ->CCR2;volatile unsigned int *B1 = &TIM3 ->CCR4;volatile unsigned int *B2 = &TIM3 ->CCR2;volatile unsigned int *C1 = &TIM3 ->CCR1;volatile unsigned int *C2 = &TIM14->CCR1;
//设置所有桥臂为无输出。注意IO_X1和IO_X2信号不可以同时为高,//否则会导致桥臂短路,容易烧坏MOS管,同时在程序中最好先将为0的//信号先设置为0,然后再设置不为0的信号,这样可以避免短路。*A1 = 0;*A2 = 0;*B1 = 0;*B2 = 0;*C1 = 0;*C2 = 0;#define INTERVAL5//换相间隔时间#define PWM1255//上桥臂PWM占空比,为了防止产生“共振”现象,设置一端的PWM//占空比为100%或者0%,调整另一端的PWM占空比大小。#define PWM2100//下桥臂PWM占空比//处于t0状态,并维持一段时间,保证可靠处于t0状态printf("Ready\r\n");{//t0:AB*C1 = 0;*C2 = 0;*A2 = 0;*A1 = PWM1;*B1 = 0;*B2 = PWM2;}delay_ms(1000);//进入换相主循环printf("Start\r\n");while(1){{//t0:ABprintf("t0:AB\r\n");*C1 = 0;*C2 = 0;*A1 = PWM1;*A2 = 0;*B1 = 0;*B2 = PWM2;}delay_ms(INTERVAL);{//t1:ACprintf("t1:AC\r\n");*B1 = 0;*B2 = 0;*A1 = PWM1;*A2 = 0;*C1 = 0;*C2 = PWM2;}delay_ms(INTERVAL);{//t2:BCprintf("t2:BC\r\n");*A1 = 0;*A2 = 0;*B1 = PWM1;*B2 = 0;*C1 = 0;*C2 = PWM2;}delay_ms(INTERVAL);{//t3:BAprintf("t3:BA\r\n");*C1 = 0;*C2 = 0;*B1 = PWM1;*B2 = 0;*A1 = 0;*A2 = PWM2;}delay_ms(INTERVAL);{//t4:CAprintf("t4:CA\r\n");*B1 = 0;*B2 = 0;*C1 = PWM1;*C2 = 0;*A1 = 0;*A2 = PWM2;}delay_ms(INTERVAL);{//t5:CBprintf("t5:CB\r\n");*A1 = 0;*A2 = 0;*C1 = PWM1;*C2 = 0;*B1 = 0;*B2 = PWM2;}delay_ms(INTERVAL);}
测试结果电机可以正常转动,且扭矩还不错(和电流大小有关,一开始R12、R13、R14焊接的是10K导致电流不足,转动不流畅),通过调整PWM1和PWM2可以调整相电流大小,为了防止产生“共振”现象,就是由于使用PWM控制时,当A桥臂的上桥臂为1时,B桥臂的下桥臂正好为0,这时候是没有电流的,这种重叠的时间最大可以是整个周期都是重叠的,这时候虽然两边的PWM占空比都大于零,但是产生了谐振降低了驱动电流,解决办法为设置一端的PWM占空比为100%或者0%,调整另一端的PWM占空比大小,例如这里我将PWM1设置成255,调整PWM2来调整驱动电流大小即可。通过调整INTERVAL的值改变转动速度,但是INTERVAL太小的话电机抖动,这时候就是没有使用霍尔传感器或者反电势法(BEMF)的最大缺点了。暂时不会做gif图:
这套电路可以很方便地改成启动那个带霍尔传感器的无刷电机,直接将霍尔传感器的三个信号接到单片机的IO口,根据霍尔信号进行换相,而不是使用延时进行换相即可,一般带霍尔无刷电机接线如下图:
但是这里还没有用到PWM的真正功能,就是平缓换相过程,也是角度控制功能。