【正点原子】STM32电机应用控制学习笔记——2.直流无刷电机基础知识

一.直流无刷电机简介（了解）

1.简介

没有电刷，无换向器的电机，也称为无换向器电机。

2.结构

主要是定子和转子，而直流有刷电机多的是换向器和电刷。

而直流有刷的定子是N和S的永磁体，而无刷是三个线圈饶阻。
直流有刷是定子是饶阻，无刷的定子是N和S的永磁体。两者的转子和定子恰好是相反的。也是他们最大的结构区别。

对应实物图，

3.有刷和无刷各自特点

有刷电机使用寿命较短，因为有碳刷，其与换向器之间经常有摩擦，就会有物理损耗。控制简单，给个电压就能转起来。
无刷电机没有碳刷，所以没有物理磨损，寿命会更长，噪音低，转速也较快。但是价格比较贵，控制也较为复杂。

4. 无刷电机运转过程

跟步进电机类似，通过饶阻的交替转变，吸引永磁体，转子跟随旋转。所以归根结底，步进电机也算是无刷电机的一种。
所以他俩都有可能出现丢步的情况。就是因为饶阻变化得太快了，里面的转子还没跟上，就会发生抖动，丢步的现象，但是无刷电机通常会有位置传感器，它是可以检测转子的位置。就算没有传感器，也可以通过反电动势来判断转子当前的位置状态。还有我们可以通过增大线圈饶阻的电压和电流来改善丢步的现象。

二.无刷电机的分类（了解）

1.分类

主要以驱动方式来进行区分，有两种，第一种是方波驱动，第二种为正弦波驱动。
方波驱动分为两种，分为外转子式和内转子式。正弦波主要驱动PMSM永磁同步电机。

但从外表看内转子式BLDC和永磁同步PMSM是很难看出区别的，还是得拆掉外壳看内部线圈的饶阻方式，BLDC是集中式饶阻，而PMSM是短剧分布式饶阻。

2.BLDC与PMSM电机的不同的

最大区别是，BLDC的反电动势和运行电流都是梯形（即方波），而PMSM是正弦波。

BLDC是集中式饶阻，PMSM的定子饶阻是分布式饶阻，
BLDC的控制算法相对简单，使用6步换向，而PMSM通常使用FOC矢量控制，更为复杂。

BLDC饶阻两两导通，像无刷电机通常由三向（uvw），两两导通指要么uv通，要么uw，要么vw导通，看下图的绿色线表示导通，红色表示磁场的矢量方向，即转子的旋转方向。磁场方向每转动60度，转动一相。所以称其为6步换向。


而PMSM是三相全部导通，就是uvw三相全部导通，所以转动的时候转子是非常顺滑的，而不像BLDS具有局限性，60度60度的转动。所以PMSM难度更加大。

三.无刷电机的主要参数（熟悉）

• 极对数就是转子磁铁NS级的对数。一个转子中含有一个N和S，则称为一对极，如果有两个N和S就是2对极。而这个对极是跟电机的旋转速度有关的。
  
  那么根据公式，如果极对数越大，则对应电机实际速度越小。现在的无刷电机通常的转速都是比较快的，市场上的产品极对数都在4对极以下。
  
• KV值。在小型的无刷电机中见的比较多，kv值越大，对应电机转速越大。
  
• 额定转速。额定电流下的空载转速。3000RPM表示3000转每分钟。
  
• 转矩：转子可以产生带动机械负载的驱动力矩。也就是一个电机，在离转轴1m处，能带动多大N的力。
  

四.应用场景（了解）

有刷电机相较于传统的无刷电机来说，优势是非常大的。首先在效率方面，无刷电机至少提高了20%左右，这是因为无刷电机是没有碳刷结构，没有物理损耗，维修次数较少，

五.无刷电机的驱动原理（掌握）

1.无刷电机结构

无刷电机主要是转子和定子，头上的壳引出两股很粗的线，第一股粗线是定子饶阻引出的三根线，通常三相就是有三根，五相就是五根，目前市场上用得比较多的是三相的无刷电机。第二股是位置传感器引出来的，

第一幅图的粗线印出来三根线，分别为uvw。第二幅图具有霍尔传感器，全部是引出了5根线，其中三根是霍尔输出，HU和HV和HW，加上他们各自的电源线GND和VCC。

2.引脚定义

可以看到由于三根粗线和五根细线，三根粗线就是内部定子饶阻引出的粗线，五根细的是霍尔传感器的，

首先是型号是ATK-VL57，H95表示的是机身高95mm，D20表示转轴为20mm的高度，最后字母E表示带有位置传感器。
参数介绍：24v的额定直流电压，额定电流是2.2A，额定扭矩为0.33N·m，额定转速为3000RPM。

3.BLDC内部结构图

中间是转子，内圈黑子的是磁极，一共有8个磁极，所以有四个N和S，即有4个对极，除此之外还有很多的饶阻，但最后还是引出三根线，所以也是三相的，

简化，线圈饶阻ABC，他们中间都有一个公共点，他们是连接在一起的，这种连接也被称为星形连接，然后把转子放上就能得到一个简化后的模型。

简化的模型中，U接24v，W接GND，V为开路不接。此时电流方向从U流向W。


U相和V相的矢量方向，由平行四边形定则可得，就可以得到当前磁场的矢量方向，转子是跟磁场矢量方向是平行的。

由于BLDC转子饶阻是两两导通的，也就是同一时刻只有两相是导通的，另外一相是开路的。所以这样的组合就有六种，比如V正W负，V正U负等等。所以也称为六步换向。

4.六步换向

第一步是U接正V悬空，w接负，磁场矢量方向是偏左下的。
走六步就走了一个周期了，而且是逆时针方向，如果想要顺时针，那么就将导通顺序反过来，654321导通。

（1）如何实现三相极性的切换

在这里使用三相逆变电路来完成极性的更换，使用了三个半桥，使用了高功率的mos管来工作。
首先A相是通过A半桥进行控制，通过看是对A+还是对A-接正来进行对A相的导通。
所以此时由六种情况，不能A+和A- 都同时导通，否则会出现短路的情况。只能是C+到A-，B-到A+这样导通。假设为A+和B-导通，那么电流从A相流入，B相流出，经过B-流回电源负极。

但是这种方式是直接把电源加载到了线圈上了，电机的速度就会很快的飚上去。实际控制我们是想控制它的转速和扭矩。所以一般将高低电平用PWM来代替，这样就可以控制线圈的电流了，进而就可以控制转子的扭矩和转速了。
所以我们通过PWM来控制功率管的开关。

MCU即电机开发板，开发板输出PWM信号，来到无刷驱动板，无刷驱动板会给信号进行放大，来驱动逆变电路，这样就能实现单相极性的切换，看看是上桥闭合导通还是下桥闭合导通，还有就是转速的控制，只需要控制PWM的占空比，就能控制转速了。

PWM控制BLDC的方法

在无刷电机中，PWM控制有五种，又分为全桥调制和半桥调制。
全桥调制类似图e，也就是上桥闭也用PWM控制，下桥闭也是用PWM控制，但是这对于mos管的开关损耗是非常大的，所以一般不适用这种，一般使用上面四种

上面的四种又分为对称性的半桥调制和不对称型的半桥调制。
对称性为图a和b，一半是高电平一半是PWM，先是PWM控制上桥臂，然后是高电平控制下桥臂。

还有一种是不对称型，上桥臂用高电平，下桥臂用PWM控制。在实践中用的比较多的是图d，H_PEM-L_ON。那么这样做的好处是，转速只取决于上桥臂的PWM占空比控制，



总结就是，如果是A相流向C相，那么控制A相的半桥使用PWM控制使上桥臂导通，由于C相是接负的，所以其半桥电路是使用高电平使C相的下桥臂导通。这样就能实现从A相流向C相了。而且我们可以通过调节PWM的占空比来控制转速

（2）如何确定转子的当前位置

有两种方法，第一种是通过位置传感器，常见的传感器是霍尔传感器，编码器等等，但主要用到的还是霍尔传感器。
第二种方法是没有传感器的方法，通过反电动势来进行读取转子的位置，（在后面无感驱动课程中会详细介绍）

霍尔传感器的识别方法是，当N极面向传感器的时候，输出高电平，S极面向传感器时，输出低电平。因此霍尔传感器就会依次输出高低电平。

但是通过一个传感器是检测不出来的，必须通过三个传感器，而且电角度必须满足120度的排列。但是之前的实物图中，并不是按照120度排列的，而是60度排列的，而且转子的磁极是两对极。
但是电角度和机械角度是不一样的，他们之间具有一定的换算关系。这里的60度是指机械角度。因此60度的机械角度乘以二对极就等于120度的电角度。

那么知道了120度电角度，就能知道输出的波形了，不同的传感器之间时存在相位差的，一格是六十度，有两格就是有120度的相位差。
在第一种状态下，N极指向霍尔三，而S极指向霍尔1和二，所以霍尔三输出高电平，霍尔12输出低电平，最终输出001。依次循环下去就是六步换向。


在这里是只有一对N和S，所以对于霍尔传感器来说就会面对一次N和S，所以高低电平的时间是一样的。
当N极面对霍尔1时，持续高电平，S极面对时，持续低电平，高低电平各自有180度的电角度。因为当只有一个极对极的时候，电角度和机械角度是一样的。这是一个对极的情况，旋转一圈360度，有180度是高电平，180度是低电平。

如果是有两个对极的时候，有两个N和S，那么转子转一圈，一个霍尔传感器就会经历两次N和两次S，每次N和S都经历180度。因为电角度是180度，极对数是2，所以对应机械角度是90度。那么会经历四个高低电平，所以总共是4*9=360度，也就是一圈。后期在速度求取需要用到。

那么如果是四对极，就会经历

那么通过霍尔组合就能确定转子的位置，但是不确定是哪一相。但是厂家会给出下面的真值表。

霍尔与饶阻得电情况的真值表

这个表是基于无刷电机的。不同的无刷电机对应的表是不一样的。
那么当霍尔读数为101，那么对应U+和V-打开，即对应U的上桥臂打开，V-对应v的下桥臂打开。度数为101对应霍尔值为5，所以霍尔值为5的时候打开Q1和Q4。按照读出来的值去打开对应的饶阻。

如果是反转，逆时针旋转，那么就对应V+和U-。
首先判断旋转的方向，接着读出霍尔值，然后去导通对应的饶阻，这样按照要求就能够旋转起来了。

霍尔传感器安装位置对应的波形

电角度为120度，传感器之间的相位差就是120度，如果电角度是60度，相位差就是60度。

5.总结

霍尔位置传感器，使用PWM输出，驱动器放大，来到逆变电路，通过读取转子的位置，来控制饶阻的哪个来导通，根据真值表查看。

这样就能实现电机的有感驱动。

六.无刷电机驱动板的介绍（熟悉）

1.半桥电路解析

上桥臂由PWM_UH控制，即PWM控制，下桥臂由高低电平PWM_UL控制。
然后通过高速光耦TLP2355，右图展示了光耦的真值表，当输入为高时，输出也为高，LED就是里面的一个光敏。光耦主要由隔离保护IO的作用。然后输入到IR2110S的HIN和LIN端口。主要通过这两个端口来驱动后面两个输出HO和LO。

半桥芯片内部结构图如下，不需要管内部的操作，只需要管输入和输出。
当SD为0的时候，输入为高，输出就是高，输入为低，输出就是低。而当SD为1的时候，无论输入是什么输出都是低。

然后输出LO和HO连接到MOS管，如果要是mos管导通，就要是其g极大于一定的电压，下图为G即和J的曲线，首先有两条曲线，第一条是25度的，第二条是175度的，通常是分析常温下25度的曲线。横坐标是VGS，也就是G极和S极之间的电压，纵坐标就是电流了。那么从图中可以发现，当电压在0~3.5v左右的时候，处于关断的状态，电流几乎为0，当大于这个点的电压时，就是开通了，但它不是完全开通，因为电流比较小，如果要完全开通就需要到7v左右的电压，此时mos管才能完全开通。所以在G极侧有输入11v的电压。

当HIN 输入为1的时候，此时HO=VB，而VB与11v电压相连，所以此时HO=11V，此时G大于S了，此时MOS管导通。但是一导通，S点的电压会被POWER的电压所抬升，（POWER通常是24v的）所以S点的电压变成24v了。但是S点为24v，而G点为11v，所以VGS又变成负的了，然后又关断了，之后又由于G点为11v又开通了，但是之后又关断。这样反反复复开通关断是不行的。

所以就有了自举升压电路。假设刚开始是下桥臂导通，电流就会经过C11导通连接到VCC11v，此时会给电容进行充电，充到了11v。那么当下桥臂关断 ，上桥臂导通时，HO就等于VB，输出11v，然后就会导通上桥臂的mos管，S点会被抬升到24v，但是S会给C11电容进行充电，也会抬升其电压，这个电压是VB的，所以它也会被抬升G极电压，这样就会保证G点比S点永远大过11v左右。这样就可以完全导通了。最终作用在U相里面。就可以控制上下桥臂的导通了。

下面联通的是电阻采样，20m欧=0.02欧姆的电阻，采样L-V_U的电压，来计算出电流。

右边电路是采集反电动势用到的，但是相电压是比较大的，所以要组一个电阻分压网络，然后DIV_U才能输出到IO端口上面，

2. 三相电流采集

由于采样电阻只有20m欧，假设电流为10A，得到的电压为0.2V，电流为20A，得到的电压为0.4v。这对于一个低分辨率的ADC来说差距不大，难以识别出来，误差较大，所以需要将电压进行放大。进行差分运算。

把电压通过差分运算进行放大。放大倍数为6倍，但是还加了1.25v的抬升电压，所以最终放大后的电压为AMP_IU。那么ADC直接去检测放大后的输出电压AMP_IU即可，

3. 电源电压采集

这里用的也是电阻分压，可以求得D25点的电压V，这个电压经过运放，没有放大，直接过来得到了VBUS。

4.温度采集

使用了热敏电阻，温度不一样的话，其电阻阻值是不一样的。计算分压后经过热敏电阻后的点电阻值，然后计算放大后的电阻阻值。这些公式均可以在热敏电阻的数据手册上找到。

5.霍尔&编码器接口

CN2是霍尔和编码器的接线端子。这个电路的特点是同时支持霍尔传感器和编码器。这个作用在PMSM永磁电机的FOC会用到。
那么现在我们只用到了霍尔传感器HALL的W和V和U。同时也支持5v和11v的选择。

七. 编程实战（掌握）

1.实验目的

2. 硬件准备

UH和UL就是逆变电路的上下桥臂，一共有三个半桥，每个半桥都有上下桥臂。
这里的意思是，U相的上桥臂由PA8进行控制，U相下桥臂由PB13控制。上桥臂是由PWM控制的，定时器1的通道1，2，3，控制PA8,9,10端口，而PB13,14,15是分别为通道1的互补通道，通道2的互补通道……只不过下桥臂是通过拉高拉低来控制开关的，所以下桥臂的端口使用普通的IO进行初始化，上桥臂端口使用定时器的方式进行初始化的。

然后是霍尔的uvw三相，这里直接使用IO进行读取即可，因为霍尔输出就是0和1。
然后是shutdown引脚，整个半桥芯片的SD的开端，在这里使用PF10进行控制。

3. 无刷电机的驱动流程

首先是要初始化IO和定时器TIM，因为上桥臂是通过PWM控制的。初始化相关的IO，包括shutdowm引脚，霍尔传感器的读取，相关定时器的读取，以及上下桥臂。初始化定时器，以及开通中断。在中断回调函数里面一定要循环读取霍尔状态。

霍尔状态的读取，就是编写一个读取函数，因为霍尔是输出0和1，所以我们只需要用IO进行读取即可。
6步组合，就是上下桥臂的导通情况，一共有六种，通过六个组合实现电机的转动。
设置旋转方向以及占空比（即转速控制），然后编写无刷电机的启动以及停止函数。
在中断服务函数里面要读取霍尔状态，根据方向，比如正转有正转的顺序，反转有反转的顺序，然后结合霍尔状态依次导通上下桥臂。

（1）初始化TIM及相关IO

八. 课堂总结