关于电机驱动和控制技能详解_电机_永磁

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电机掌握——FOC与SVPWM

良久没有和大家分享新知识了。
我现在在长沙一家搞汽控的公司演习，岗位是嵌入式软件。
由于公司须要我节制FOC的知识，以是放工后我都会花一些韶光学习。
以下是我学习FOC的条记与理解，和大家分享。

关于电机驱动和控制技能详解_电机_永磁关于电机驱动和控制技能详解_电机_永磁科学

下图是学习FOC须要的基本知识。

（图片来自网络侵删）

有了这些基本知识后，我们来看一下有刷电机与无刷电机。
有刷电机想必大家都玩过，便是我们小时候玩的四驱赛车上的那种电机，通上电就可以转的那种。
而无刷电机就不一样了，不知道大家有没有玩过飞控，那上面用的电机便是无刷电机。
下面放两张图片让大家对有刷与无刷电机有一个大概的认识（上面是有刷，下面是无刷）

图1 有刷电机

图2 无刷电机

有刷电机的事理我就不多说了，由于这篇文章紧张讲无刷电机的FOC。
直流电机基本模型，根据磁极异性相吸同性相斥的事理以及右手螺旋定则，中间永磁体在两侧电磁铁的浸染下会被施加一个力矩并发生旋转，这便是电机驱动的基本事理：

图3

理解了电机驱动的事理后，我们来看一下大略单纯版的无刷电机，三相二极内转子电机（内部事理如图，个中ABC为三相）……

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变频器掌握电机运行的两种办法

当变频器主电路接好电源线之后，要掌握电动机的运行，还须要给有关端子接上外围接掌握电路，并且将变频器的启动办法参数设为外部操作模式。

变频器掌握电动机运转，常见的有两种办法，分别是开关掌握办法和继电器掌握办法：

一、开关掌握的正转掌握电路

开关掌握的转掌握电路如下图所示，它是依赖手动操作变频器STF端子外接开关SA，来对电动机进行正转掌握。

开关掌握办法

电路事情事理解释如下:

1、启动准备：按下按钮SB2，打仗器KM线圈得电，KM常开赞助触点和主触点均闭合，常开赞助触点闭合锁定KM线圈得电自锁，KM主触点闭合为变频器接通主电源。

2、正转掌握：按下变频器STF端子外接开关SA，STF、SD端子接通，相称于STF端子输、输入正转掌握旗子暗记，变频器U、V、W端子输出正转电源电压，驱动电动机正向运转。
调节端子外电位器R，变频器输出电源频率会发生改变，电动机转速也随之变革。

3、变频器非常保护：若变频器运行期间涌现非常或故障，变频器B、C端子间内部等效的常闭开关断开，打仗器KM线圈失落电，KM主触点断开，割断变频器输入电源，对变频器进行保护。

4、停转掌握：在变频器正常事情时，将开关SA断开，STF、 SD端子断开，变频器停滞输出电源，电动机停转……

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直流电机的EMI的剖析与设计

在我们碰到的直流电机的电磁兼容问题上，常日是具有换向气的直流电机（转子励磁调速电机等类同）在电机运行的过程中会产生一定的电磁骚扰。

由于在直流电动机或直流发电机在运行时，电枢绕组器件由某一岔路支路进入另一岔路支路时，电路中的电流及电动势都会改变方向，而绕组中电流方向的改变，都是由换向器和电刷所组成的机器装置来完成。
不良的换向条件将使电刷产生电火花，由电火花放电引起的电磁骚扰，其频谱很宽；其强度也会随着火花放电的等级大小变革而变革。
把稳：直流电机在换向时换向器与电刷间产生的火花是电磁骚扰产生的最直接缘故原由！

A.先对如下换向电机的内部大略的构造剖析：直流驱动电机 &直流驱动风机

如图中：换向器与绕组碳刷打仗面是电流突变的交变点。
由此产生传导反射和辐射发射！

直流电机在换向过程中，电枢绕组器件中的电流在改变方向时，个中存在电抗电动势和电枢反应电动势，它们的方向和电枢电流的方向同等，始终阻碍换向元器件中的电流变革，使换向过程延迟，从而产生电磁性的火花！

如图中：直流风机的内部构造也存在换向器与绕组碳刷打仗面产生电流火花点。
由此产生传导反射和辐射发射……

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电机掌握的前世今生

一、电机的基本描述

电机：俗称“马达”，依据电磁感应定律实现电能转换或通报的一种电磁装置。
包括：电动机和发电机。
电动机在电路中是用字母M表示，它的紧张浸染是产生驱动转矩；作为用电器或各种机器的动力源，发电机在电路中用字母G表示，它的紧张浸染是利用机器能转化为电能。

电机掌握：对电机的启动、加速、运转、减速及停滞进行的掌握。

二、电机分类

1.直流有刷电机

直流有刷电机(Brushed DC，简称BDC)，由于其构造大略，操控方便，本钱低廉，具有良好的扁动和调速性能等上风，被广泛运用于各种动力器件中，小到玩具，按钮调节式汽车座椅，大到印刷机器等生产机器中都能看到它的身影。

直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互浸染产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。

2.步进电机

步进电机便是一种将电脉冲转化为角位移的实行机构；更普通一点讲：当步进驱动器吸收到个脉冲旗子暗记，它就驱动步进电机按设定的方向迁徙改变一个固定的角度。
我们可以通过掌握脉事的个数来掌握电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；.同时还可以通过掌握脉冲频率来掌握电机迁徙改变的速率和加速度，从而达到调速的目的。

3.伺服电机

伺狠电机广泛运用于各种掌握系统中，能将输入的电压旗子暗记(或者脉冲数)“转换为电机轴上的机器输出量，拖动被掌握元件，从而达到掌握目的。
伺服电机系统见下图。
一样平常地，、哀求转矩能通过掌握器输出的电流进行掌握；电机的反响要快、体积要小、掌握功率要小。
伺服电机紧张运用在各种运动掌握系统中，尤其是随动系统。

伺服电机有直流和互换之分，最早的伺服电机是一样平常的直流有刷电机，在掌握精度不高的情形下，才采取一样平常的直流电机做伺服电机。
当前随着永磁同步电机技能的飞速发展，绝大部分的伺服电机是指互换永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。

4.无刷直流电机

无刷直流电机【BLDCM】是在有刷直流电机的根本上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的互换。
一样平常地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波(方波)，另一种是正弦一样平常的，把方波驱动的叫做直流无刷电机(BLDC)；把正弦波驱动的叫做永磁同步申机(PMSM)，这个实际上便是伺服电机。

直流无刷电机与伺服电机有类似的优缺陷。
BLDC电机比PMSM电机造价便宜一些，驱动掌握方法大略一些……

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案例剖析：主流步进电机闲时半流掌握方案

步进电机是一种将电脉冲旗子暗记转换成相应角位移或线位移的电动机，在医疗仪器设备、打算机外设及存储设备、精密仪器、工业掌握系统、办公自动化、机器人等领域中常常能看到它的身影。
国内外各芯片厂商也纷纭抢占这一市场，涌现了越来越多驱动芯片供应用工程师选择，工程师根据厂家供应的规格书可以很轻松得设计出符合自己所需的运用驱动。

目前市场主流的驱动芯片（如下图所示是个中一款驱动芯片）只须要几个IO口就可以利用它对电机实现精准掌握。

在知足21脚nENBL输入低电平，此时22脚STEP输出PWM，电机就可以运转，我们利用时会碰到一个问题，当nENBL被使能后，无论STEP是否有输出，系统都是满电流输出，由于一旦nENBL输入低电平，内部H桥输出使能。
我们希望STEP有脉冲输出时（电机运行），电流输出正常，而当STEP没有脉冲输出时（电机停息运行），电流可以大幅减小。
有人想到电机停转时把nENBL拉高，这是弗成的，nENBL拉高，虽然电流为0，但是此时电机将变为失落锁状态，失落去扭力。

我们再看12、13脚VREF，这两个引脚常日都是通过一个可调电位器接到电源上。
VREF上分得的电压大小决定驱动器供应给负载电流的大小，而负载电流越大电机输出的扭力也就越大。
回到我们的需求就可以把问题转换成当STEP有脉冲输出时，VREF分得的电压较大，供应知足负载正常运行的输出电流，而当STEP无脉冲输出时，VREF分得的电压较小，只需供应可以担保锁住电机的较小的电流（常日为电机正常事情时的一半），这样不仅可以有效降落电机闲时功耗，还可以减少电机和驱动器的热量，增加利用寿命。

下面先容一个主流方案，须要用到一个逻辑芯片——74HC123。
74HC123是双路可重复触发的单稳态触发器，它输出的脉冲宽度取决于定时电阻R和定时电容C，脉宽宽度WP=RC。
先看一下真值表：

我们须要将STEP脚接到74HC123的一个输入端，在STEP脚有脉冲输入和无脉冲输入的情形下，74HC123的一个输出端分别输出高电平和低电平。
蓝色框选的状态便是对应nB输入低电平，nQ输出低电平；赤色框选的状态对应nB输入方波旗子暗记并检测到上升沿，nQ输出一个高电平脉冲旗子暗记，有人会有疑问：不是希望nQ输出高电平吗？之条件过这个脉冲旗子暗记的脉宽和R、C有关，我们只需给R、C取适当的值，使脉宽WP大于步进电机最慢转速下对应的PWM的周期，就会使nQ保持高电平，由于当检测到nB的上升沿后，nQ输出高电平脉冲且脉宽较长，高电平一贯坚持到下一个周期上升沿又被检测，以是nQ会保持高电平不变。
根据这些条件绘制了如下事理图……

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永磁同步电机掌握办法及驱动技巧

永磁同步电机在工业上用的相对较多。

永磁互换伺服电机系统具有以下等优点：

电动机无电刷和换向器，事情可靠，掩护和保养大略；定子绕组散热快；惯量小，易提高系统的快速性；适应于高速大力矩事情状态；相同功率下，体积和重量较小，广泛的运用于机床、机器设备、搬运机构、印刷设备、装置机器人、加工机器、高速卷绕机、纺织机器等场合，知足了传动领域的发展需求。

1.互换永磁同步伺服驱动器紧张有伺服掌握单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其构造组成如图1所示。
个中伺服掌握单元包括位置掌握器、速率掌握器、转矩和电流掌握器等等。
我们的互换永磁同步驱动器其集前辈的掌握技能和掌握策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能哀求的伺服驱动领域，还表示了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。

目前主流的伺服驱动器均采取数字旗子暗记处理器（DSP）作为掌握核心（现在用32位单片机利用PID算法也是可以）。
其优点是可以实现比较繁芜的掌握算法，事变数字化、网络化和智能化。
功率器件普遍采取以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。

图1

伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和掌握板两个模块。
如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分个中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为全体系统供应数字和仿照电源。

掌握板是弱电部分，是电机的掌握核心也是伺服驱动器技能核心掌握算法的运行载体。
掌握板通过相应的算法输出PWM旗子暗记，作为驱动电路的驱动旗子暗记，来改逆变器的输出功率，以达到掌握三相永磁式同步互换伺服电机的目的。

图2

3.功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。
经由整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步互换伺服电机。
功率驱动单元的全体过程可以大略的说便是AC-DC-AC的过程。
整流单元（AC-DC）紧张的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

逆变部分（DC-AC）采取采取的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)，紧张拓扑构造是采取了三相桥式电路事理图见图3，利用了脉宽调制技能即PWM(Pulse Width Modulation)通过改变功率晶体管交替导通的韶光来改变逆变器输出波形的频率,改变每半周期内晶体管的通断韶光比,也便是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压副值的大小以达到调节功率的目的……

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双H桥直流电机驱动板原来如此大略

L298N模块

L298N，是一延接收高电压的电机驱动器，直流电机和步进电机都可以驱动。
在5V到35V的电压范围内，供应2安培的电流，并且具有过热自断和反馈检测功能。

L298N可对电机进行直接掌握，通过主控芯片的I/O输出电平对电机的迁徙改变进行设定，进而可以实现电机正转反转驱动，操作大略、稳定性好，可以知足直流电机的大电流驱动条件。

L298N模块实物图

板子上的续流二极管可防止电机线圈在断电时的反向电动势破坏芯片；L298N事情过程中比较热，以是安装散热片可以使芯片温度保持一个稳定状态，让驱念头能更加稳定；本模块集成了一个电源稳压芯片78M05。
当你的驱动电压为7V~35V的时候，即上图 ①处输入7V~35V的时候，短接②可以使能板载的5V逻辑供电，即将①处输入电压引入到78M05芯片的1脚处，此时③处可输出+5V，输出的+5V可以引出供外部利用；

当短接②时，③处不可再输入+5V；当②处断开（未用跳线帽短接）时，可由③处输入+5V电压供应板载+5V电压。

4. 当ENA 使能，IN1 IN2 掌握 OUT1 OUT2 ；当ENB 使能，IN3 IN4 掌握 OUT3 OUT4 。

模块事理图

L298N模块事理图

L298N芯片

L298N芯片引脚图

L298N的4脚：电机电源Vs，由L298N模块的①处电压供应；

L298N的9脚：逻辑电源Vss，由L298N模块的③处电压供应；

L298N的电气特性我们紧张关心以下几个参数……

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电机驱动电路设计与仿真

01. 选择掌握工具