简述小功率直流无刷电机驱动控制的硬件设计

共享2931 2023-09-22

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直流无刷电机的数学模型是比较复杂的，网上这方面资料也是比较多的。这里主要简单说下这个硬件基本电路设计吧。

以三相无刷电机为例，见下两图：

Figure1 一般简化的结构图

这里转子是永久磁体，这里简化是一个极对，实际上可能会是2对或者3对，更多都可能，见下图。定子是三相绕组均匀分布，ABC三相简化为右图的结构。

Figure2 转子磁体横截面

Figure3 转子运行的磁场受力矢量分析

Figure4 直流无刷电机的截面

设计这样的一款小功率直流无刷电机硬件主要就是功率驱动、检测转换、控制策略。电源部分最好可以使用几个大点电解电容，储能滤波都会好些，因为电机启动时需要比较大的电流。

Figure5 MOS驱动电路

TIM_CH3和TIM_CH3N在STM32F1系列MCU里面是高级定时器的互补输出通道，互补在这里主要是避免上下臂控制同时为高，导致上下MOS同时导通，则+24V和GND1直接导通（就是短路），会直接损坏器件。如果MCU没有互补输出引脚，可以经过逻辑否后，也可以实现一高一低的输出。

D1和C2是一个自举电路，为了驱动Q5和Q6，其实这个主要是用来驱动Q5。因为NMOS的VGS是正电压驱动，Q6的S端是经过0.05R到GND1，所以Q6是可以直接被15V驱动到饱和的；Q5的A点驱动前可以假设是悬空的（也可以认为是经过电机的绕组，再经过0.05R到GND1，再经过0.05R到GND，这样的一个回流），看下图IR2101S内部符号图，如果加上一个储能电容，和一个二极管，可以理解为是一个典型的开关全导通的boost电路，至少保证电容上面的电压足以驱动Q5的VGS。MOS的GS端可以接上一个10K电阻，G端可以是再并上一个快速放电二极管串上一个33电阻，安规处理可以再接上一个稳压管等等。

Figure6 IR2101S内部符号图

Figure7 电流转换电路

经过电流的采样后，IA * 0.05R得到VA，经过差分的走向后，再经过同相加法运算求解出对应的输出电压。VREF为3.3V的一半，1.65V后跟随器输出。

见下图解析，R1、R3、R5和R2、R4、R6是平衡电阻，达到电路的相互平衡和PCB走线有些共模干扰信号会相互抵消，VF1可以使用叠加定理（独立电源代入再整合求解），这里以更简单方法（高电位-低电位）*电阻比值+低电位，VF1 =（1.65-0.2）*2/12+0.2 = 0.4416V。VF2 = (1+(R5/R1//R2))*VF1=6*0.4416=2.65v。整合简易的电路，VF2=[(1.65-0.05IA)/6 + 0.05IA]*6=1.65+(0.25/6)IA的公式。根据公式当电流大的了，VF2的电压比较大，会损坏控制芯片引脚，所以这个电路需要修改的，还有就是在后级加个BAV70、BAV99这些保护器件更好些。

Figure8 电流转换电路仿真（软件tinati）

下面是无感直接电机一个反电动势的阻值分压和比较电路。MITTLE为中间电位，不需要过于研究电位实际大小，基本上确定Vemf>MITTER >0V，足够比较器比较输出高和低到MCU。最后两个图是对应的运行过程，对比下就好了，推导一遍，把原理搞定，剩下要搞下软件和算法。待软件技术提高了，后续相关篇章再出吧。