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【第八部】全硬件BLDC马达驱动器设计

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【第八部】全硬件BLDC马达驱动器设计

要点:霍尔及其电路、数字电路、半桥电路、充电电路及桥式电路精讲

 

视频亮点展示:

亮点一:本视频也是典型的数模混合电路,前5部视频主要讲模拟电路。如何实现无缝混搭?电路设计又需要注意哪些细节呢?这是本部视频最大亮点。 

亮点二:本部视频通过硬件波形的整形、储存,以及根据时序来分配并动作,根据时序进行多路信号的切换,以及不同波形在不同时刻发生不同的动作。锻炼学员综合协调处理波形根据时间来锁存信号与释放信号的能力。如果以前是二元化,现在就是三元化。以前只是电压电流为主轴的波形设计,现在则是电压电流波形在时间轴上的分配。

亮点三:本部视频,张老师教会大家如何用万用表来测量一些元器件,有助于提高维修线路板的效率,节省时间,更多精彩的内容请关注视频。

亮点四:本视频基于前几部视频,让工程师深入到第二阶段学习,提高复杂电路的架构与设计能力,掌握到电路设计的全局观。不再像以前简单的基于元器件的使用,而是如何综合运用各种复杂器件实现各种复杂应用。

 

内容大纲:

一、BLDC(直流无刷马达) 简单工作原理

 

二、有霍尔位置传感器 和无霍尔位置传感器的BLDC

 

目前有位置传感器用的比较多,由于它能够准确采样转子的旋转位置,所以更能稳定可靠运行,控制方式相对来说也简单些。因此,在很多项目中得到大量使用。应用领域:特别适合大负载和静止启动的情况。比如,电动车、电动自行车、电动汽车、高铁等中均得到大量而广泛的应用。当然,毕竟马达上多个sensor ,在马达制作工艺方面增加了复杂度,增加了成本。同时,霍尔也存在一定几率的老化不良等问题,对电机的整个寿命产生一定的影响。

 

由于有位置马达存在上述的弊端,无位置由于没有sensor工艺简单,同时更加安全可靠,所以在很多场合也得到比较多的应用。在一些复杂恶劣的环境、轻负载的情况下应用,比如风机,空调压缩机,汽车的冷却风扇等。但是,由于位置是根据马达的反电动势计算得来的,因此具有不可靠性。而且在马达静止情况下,由于不存在反电动势,因此转子的位置更加难以确定。所以,不适合马达在静止条件下使用。

 

综上所诉,有位置的马达的驱动器比较简单,马达相对复杂,可静止启动。无位置控制的马达优点是马达简单控制器复杂,适合轻负载,非零转速启动或者在马达又一定转速下启动。

 

三、霍尔位置设计

 

四、高压和低压(供电和应用)

 

如果是接电网,一般接高压,降低成本。接电网是用310V或者更高。还有一种户外移动电源供电,这种一般情况是做低压。那么,都有这么个代表。空调压缩机--高压;电动车--低压;随着bldc的快速发展,低压为代表的发展十分迅速,智能代步工具;机器人;电动工具;园林工具等等。高压和低压这两个方向发展十分巨大,快速发展的。

 

五、马达的转子、定子采样设计

 

BLDC 分外转子和内转子,如何整合?

外转子应用领域广泛:风扇马达、轮毂马达、多旋翼无人机航模,电动滑板(见下图)。

8.jpg

外转子和内转子相同工作下特性比较:外转子体积小,内转子大;但是,外转子结构复杂,强度不如内转子;

 

六、方波和正弦波

 

从马达的反电动势波形来区别,可以分为正弦波和方波。这个主要是指反电动势,这个是由磁钢的充磁方向决定的。在区分马达是否正弦马达输出相两端的端电压,用手拨动马达旋转,如果端电压是正弦波就为正弦波马达,反之为方波马达。目前方波马达的控制技术成熟。正弦波复杂,驱动器控制差不多,未来空间大。但是目前主流仍是方波马达。

 

七、转速和低转速

 

 功率速度扭距转换公式

 详细解释马达的转速与马达扭距之间的关系(从磁场切割的原理解释)

 详细解释马达的极对数,以及虚拟电机,马达电周期与机械周期之间的区别

 马达线圈扎数与马达扭距之间的关系;

 马达的电压与转速之间的关系,及马达的电流与转速,效率之间的关系,和如何调速。

对于BLDC马达,一般情况下电压越高,转速越高;反之,电压越低马达的转速越低。从这个角度来说,实行调速,可以用PWM调速法。

 

第二个角度讲,定子由硅钢片合成,当线包通过电流,会产生涡流损耗,此涡流的平方和电流平方成正比,随着电流增大而增大,称为铁损,从线包的损耗称为铜损,和涡流的铁损,角度来讲,电流不应过大。

 

当然,电压也不能够无限制的增加,随着电压的升高,一些马达控制逻辑是低压器件,存在电源转换,电压越高,电源转换付出的成本也就越多。另外,电压选择需要依靠外界提供的电能。所以在一个项目中选择马达根据情况酌情处理。

 

八、BLDC如何实行电压调速

本项目以三相bldc方波有位置传感器马达为实例,用全硬件的方式来搭建驱动器电路。

三相桥电路的设计:mosfet的选型和设计;mosfet充放电电路的设计;

半桥驱动电路的选型和讲解;

自举充电电路的讲解:如何实现自举电容充电?

半桥驱动前级,复杂逻辑电路如何实现?分以下几个方面:

Ø 如何用全硬件的方式实现马达正转?

Ø 如何实现马达的停止?

Ø 如何实现自取电容的充电?

Ø 如何根据霍尔的逻辑信号来实现马达的换向?

Ø 如何实现马达的调速?

九、调试部分

1. 霍尔电路的调试

2. 数字电路的调试

3. 半桥电路的调试

4. 充电电路的调试

5. 桥式电路的调试

6. 马达整机的联调


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讲师介绍

张飞老师
高级硬件工程师

张飞老师,高级硬件工程师,2005年起从事电子研发,在上海某研究所学习近一年。2008年至今在大型外资企业担任首席工程师、专家,研发企业未来3至5年的产品。还担任过课长、经理等职务。视频教程将自己这十多年从事一线研发的经验和心得与大家分享,带领大家一起学习如何设计和优化电路。