BLDC开发笔记1.原理及硬件部分

最*有个项目用到了BLDC，正好我也对电机驱动很感兴趣。在这里整理一下学习笔记。

此笔记会持续更新。

BLDC工作原理

BLDC工作原理网上已经很多资料，这里不再详细累述，推荐鹏芃科艺的相关无刷直流永磁电动机工作原理（这是我见过最好的3D模型解剖）：http://www.pengky.cn/yongciDJ/04-wushuaYCDDJ-YL11/wushuaYCDJ-YL11.html

这里简单记下笔记。

1. 有刷电机中的电刷换向器存在火花、无线电干扰、噪声，因磨损而寿命短等问题。而无刷直流电机（BLDC）不用电刷换相，使用电子开关换相。

2. 硬件上，无刷电机主要采用三相逆变电路驱动

   

3. 无刷直流电机，是靠定子磁场和转子磁场间的作用力拉动转子转动的。每一个线圈按照右手定则可以判断出单个线圈的磁场方向，两个线圈就通过矢量合成判断出合磁场方向，这样，三个线圈绕组由电子开关元件按规律接通直流电源，形成旋转磁场，从而牵引着转子旋转，整个过程就像毛驴上吊一根胡萝卜一样。

4. 可以看到，转子在磁场中只有6个稳定状态，而且BLDC一般采用方波驱动，所以BLDC的转动实际上并不*滑，为了解决这个问题，就出现了多极（磁极对数）和多电机槽，比如两极BLDC，就从原本的360°里面“抖”6下，变成360°里面“抖”12下，极数越多越接**滑，类似于微积分思想。

BLDC和PMSM区别

无刷电机，主要分为BLDC和PMSM两种。

我们称前者为直流无刷电机（Brushless Direct Current Motor），后者为永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor）。

她们的结构类似，都是永磁转子和绕组定子，BLDC也是同步电机，但由于定子绕组的互联方式不同，会产生不同的反电动势。绕组两端的压降，可以通过从供电电压减去反电动势算出。

1. BLDC具有梯形的反电动势

   

2. PMSM具有正弦形式的反电动势

   

由此我们可以对这两种电机进行区分。

软件控制上来说，一般而言，

1. BLDC采用6节拍的方波驱动，但一些BLDC也可以使用FOC驱动，这里参考https://www.zhihu.com/question/50312245，以后玩到再详细解析
2. PMSM采用FOC（矢量控制）驱动

两种电机各有优势。

1. BLDC相较PMSM在功率密度、转矩惯量比上多15%
2. 齿槽转矩、谐波分量等方面PMSM更具有优势
3. PMSM的定子制作工艺更复杂，成本更高

PMSM以后再详细解析。

霍尔传感器

BLDC通过电子开关管的顺序导通让定子绕组顺序通电，形成旋转磁场，牵引永磁体转子运动。那么，什么时候导通哪一对开关管呢？什么时候导通哪一对绕组？这个问题，我们首先需要知道转子此时转到了6个状态中的哪一个，这就需要通过转子位置检测装置，目前主要采用光电器件和霍尔器件。由于手头上是霍尔传感器，所以实验以霍尔传感器为主。

霍尔传感器原理：

其实就是根据霍尔效应：在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力（左手定则）而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生*衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而*衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

电流方向不变，磁场方向改变，霍尔电压随之改变。

BLDC有的会在定子嵌入三个霍尔传感器（工艺复杂成本高），有的则将霍尔传感器安装在另外的PCB板上，并且在转子上安装霍尔传感器磁体（成本低）。每当转子磁极经过霍尔传感器附*时，霍尔传感器她们便会发出高电*和低电*，根据三个霍尔信号的组合，我们就能知道转子的位置。

根据霍尔传感器的安装位置，输出信号之间的相移可以是60°或者120°。

需要注意的是，60°安装的霍尔会产生000和111，但是120°安装则没有，利用这个点就可以区分60°或120°安装。

一般而言，电机厂商会根据霍尔安装定义应遵循的换相时序。例如

如果电机厂商没有时序表，则只能自己通过实验得出（太坑爹了有木有）。

硬件驱动方案

硬件驱动方案我这里选择的是IR2101驱动PSMN011-80YS，MCU选择的是ST的f103。6路PWM由f103的高级定时器TIM1提供，这部分按逻辑要求连接即可。

驱动部分以其中一路为例，f103与IR2101之间加了光耦隔离，当然也可以不加直接驱动，IR2101是支持3.3V的逻辑电*输入的，加入的目的主要是即使后续电路损坏也不会影响主控部分。

IR2101内部做了高边驱动处理，只要在外面加上一个电容和一个二极管就能组成boost升压驱动电路，所以省去了很多麻烦，当然选择其他IR系列直接驱动6个mos管也可以，而且也有很多集成方案（太贵了）。

原理分析：

1. 根据我们之前的分析，一个时间会有两个mos管同时导通，让两个绕组通电。
2. 下桥臂的N-MOS导通由于S极接地，所以只要 (U_{gs}>U_{th}) ,就能导通，关键是上桥。
3. 我们让对应的下桥臂先导通，给上桥的N-MOS施加PWM波，高电*导通，但导通后S极会变为24V，那么我们此时需要 (24+U_{th}) 这么大的电压才能让N-mos导通，boost电路就发挥了作用，由于我们G极输入的是PWM波，根据电容两端电压不能突变的原理，N-MOS在PWM来的瞬间导通后在S极的24V会经过C17电容到达 (V_B) ,与C17电容上原本的电压 (15V)叠加产生一个理想情况下大约 (15+24=39V) 左右的电压（实际上由于管子压降会变小），这个39V电压会通过IR2101内部开关管驱动 (H0) ，保证在高电*一段时间内都能正常导通。D2二极管主要起到单向导通作用。
   
   需要注意的是，霍尔传感器内部假设厂家没有处理，可能是OC/OD输出，需要加上拉电阻才能输出高电*，并且如果MCU的GPIO口不是兼容5V的，可以加肖特基二极管上拉至3.3V钳位保护。

后续电流环部分用到电流采样电路，会继续更新。