无刷无感直流电机驱动硬件分析

Posted 2020-09-22 越泽

电机驱动的一大关键是准确知道转子的位置，有感电机通过传感器获取转子位置，无感电机只能通过间接方式获取电机转子位置，常见的方法有反电动势法、电感法、磁链法、高频脉冲法及其它智能方法，应用最多的是反电动势法

反电动势法无刷无感电机驱动电路可主要分为三部分：功率驱动部分，控制部分，转子位置检测部分

 

一． 功率驱动部分

功率驱动部分有二种实现方式，一是使用集成电机驱动IC，二是使用分立元件搭建。使用集成IC更加简单，而且大多驱动IC都集成了多种保护功能，更加可靠，但成本较高。

使用分立元件搭建有二种：

① 使用N + P管，如下图，这种方式实现简单，而且PWM控制信号占空比能达到100%，但P管价格相对较高，一般电流在100A，耐压在100V内，多应用于低压小功率应用

R1，R4一般在100Ω以内，但也不能太小，一般为几十Ω，R2，R3，R5一般为几K到几十K

 

②使用全N管，如下图，N管耐压及功率可选范围很宽，所以适用于各种应用电路，但上臂桥驱动较复杂，如果采用自举升压电路，PWM占空比不能达到100%

上图用比较简单的方式实现上臂的自举升压，D1为自举二极管，一般采用快恢复二极管，C1为自举电容，具体大小可参考公式

 

二． 控制部分

此部分大致为MCU最小系统，根据所采用的MCU的不同而不同，一般使用内部晶振。带有比较器、PWM定时器的MCU为比较好的选择。

 

三． 转子位置检测部分

此部分是一个关键部分，根据使用驱动方法的不同而不同，主要的二种为反电动势检测与电流检测

①反电动势检测

此法的理论基础是电机在运转时会产生反电动势，在PWM导通器件的过零时刻，悬浮相的端电压与中点电压相等，硬件方法可建立一个虚拟中性点与端电压比较，实际中大多使用软件采样比较方式

使用软件进行采样有三种方式：

1. 在功率管导通时刻采样

二相导通时，中点电压等于母线电压的一半，因此可用母线电压的一半作为参考电压与第三相进行比较。

母线电压一般较高，即使分半之后的电压也可能高于MCU端口承受电压，因此一般要用电阻进行分压，这使得过零点的检测灵敏度受到影响，而且由于在导通时间内进行采样，因此必须有一个最小导通时间，电机低速运行受限制

2. 在功率管关闭时刻进行采样

在上管关断，下管恒通的状态下，续流电流会流过下管体二极管，中点电压理论值为0，为提高准确性，可将MCU内部参考电压设为一个略高于0的值，如0.2，然后采集第三相与此值比较。

这种方式无需电阻分压，提高了检测灵敏度，同时抑制了高频开关干扰，但需考虑MCU端口承压能力，而且需保持一个最小关断时间，因此PWM占空比无法达到100%

3. 在功率管全状态采样

如下图，此种方法结合了以上二种方法的优点，克服了双方的缺点

在大多数实际应用电路中，多采用方式一，如下图，两端分别接到电机三线与MCU

 

②电流检测法

此法多应用于FOC控制中，如下，在三端回路中接上电流采样电阻，采集相电流，经放大器放大后送入MCU，