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内容概要:本文详细介绍了无刷直流电机(BLDCM)的原理、结构、参数及其控制系统的设计与实现。无刷直流电机是一种机电一体化产品,具有高效率、低噪音、长寿命等优点,广泛应用于航模、车模等领域。文中解释了电机的基本组成部分,如定子、转子、霍尔传感器等,并讨论了关键参数如额定电压、KV值、转矩、最大电流和功率等。此外,文章深入探讨了电机的工作原理,特别是基于霍尔传感器的换相机制,以及如何利用三相六臂全桥驱动电路实现电机控制。还涵盖了速度控制原理、硬件设计和软件编程,包括PWM调制策略、定时器配置、霍尔传感器中断处理等。最后,提供了具体的编程实例和按键控制电机的方法。 适合人群:具备一定电子电路和嵌入式系统基础知识的工程师或爱好者,尤其是对电机控制和无刷直流电机感兴趣的读者。 使用场景及目标:①帮助读者理解无刷直流电机的工作原理及其控制系统的设计;②指导读者完成基于STM32的无刷直流电机控制系统的硬件搭建和软件编程;③提供实际操作经验,如通过按键控制电机启停、调速和换向等。 其他说明:本文提供的资料不仅限于理论讲解,还包括详细的代码示例和实验步骤,便于读者动手实践。同时提醒读者注意电机运行时的安全事项,避免因不当操作导致硬件损坏。
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接口6路模拟输入接口、3个4路隔离输入接口、1个4路隔离输出接口、1
» 8. 无刷直流电机
8. 无刷直流电机
无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor,简称BLDCM)由电动机主体和驱动器组成, 是
一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器 (或集电环)的电机,又称无换向器电
机。这是模型中除了有刷电机以外用的最多的一种电机, 无刷直流电机不使用机械的电刷装置,采
用方波自控式永磁同步电机,与有刷电机相比,它将转子和定子交换, 即无刷电机中使用电枢绕组
作为定子,使用钕铁硼的永磁材料作为转子,以霍尔传感器取代碳刷换向器, 性能上相较一般的传
统直流电机有很大优势。具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、 可伺服控制、无级
变频调速等优点,而缺点则是比有刷的贵、不好维护,广泛应用于航模、高速车模和船模。
不过,单个的无刷电机不是一套完整的动力系统,无刷电机基本必须通过无刷控制器才能实现连续
不断的运转。 普通的碳刷电机旋转的是绕组,而无刷电机不论是外转子结构还是内转子结构旋转的
都是磁铁。
无刷电机的定子是产生旋转磁场的部分,能够支撑转子进行旋转,主要由硅钢片、漆包线、轴承、
支撑件构成;而转子则是黏贴了钕铁硼磁铁、在定子旋转磁场的作用进行旋转的部件,主要由转
轴、 磁铁、支持件构成。除此之外,定子与转子组成的磁极对数还影响着电机的转速与扭力。
8.1. 直流无刷电机几个重要参数
8.1.1. 额定电压
无刷电机适合的工作电压,其实无刷电机适合的工作电压非常广,额定电压是指定了负载条件而得
出的情况。 例如说,2212-850KV电机指定了1045螺旋桨的负载,其额定工作电压就是11V。如果
减小负载,例如带7040螺旋桨, 那这个电机完全可以工作在22V电压下。但是这个工作电压也不是
无限上升的,主要受制于电子控制器支持的最高频率。所以说,额定工作是由工作环境决定的。
8.1.2. KV值
有刷直流电机是根据额定工作电压来标注额定转速的,无刷电机引入了KV值的概念,而让用 户可
以直观的知道无刷电机在具体的工作电压下的具体转速。实际转速=KV值*工作电压,这 就是KV的
物理意义,就是在1V工作电压下每分钟的转速。无刷直流电机的转速与电压呈正比 关系,电机的转
速会随着电压上升而线性上升。 例如,2212-850KV电机在10V电压下的转速就
是:850*10=8500RPM(RPM,每分钟转速)。 KV值与匝数是呈反比例关系的,例如2212-850KV,
匝数是30T(15圈),那在28T的情况下的KV值是:850KV*30T/28T=910KV。
8.1.3. 转矩与转速
转矩:(力矩、扭矩)电机中转子产生的可以用来带动机械负载的驱动力矩,我们可以理解为电机的力
量。
转速:电机每分钟的转速。
电机的转矩和转速在同一个电机内永远是一个此消彼长的关系,基本可以认为转矩和转速的乘 积是
一个定数,即同一个电机的转速越高,必定其转矩越低,相反也依然。不可能要求个电机 的转速也
更高,转矩也更高,这个规律通用于所有电机。例如:2212-850KV电机,在11V的 情况下可以带动
1045桨,如果将电压上升一倍,其转速也提高一倍,如果此时负载仍然是 1045桨,那该电机将很
快因为电流和温度的急剧上升而烧毁。

8.1.4. 最大电流和最大功率
最大电流:电机能够承受并安全工作的最大电流
每个电机都有自己的力量上限,最大功率就是这个上限,如果工作情况超过了这个最大功率,就会
导致电机高温烧毁。
8.1.5. 槽极结构(N:槽数,P:极数)
铁芯极数(槽数)∶定子硅钢片的槽数量
磁钢极数(极数)∶转子上磁钢的数量
模型常见的内转子无刷电机结构有: 3N2P(有感电机常用)、12N4P(大部分内转子电机)
模型常见的外转子无刷电机结构有:9N6P、9N12P、12N8P、12N10P、12N14P、18N16P、
24N20P。
模型用内转子无刷电机极数不高的原因:目前内转子电机多用于减速使用,所以要求的转速都 比较
高。电子转速=实际转速*电机极对数,电子控制器支持的最高电子转速往往都是一个定 数,所以如
果电机极对数太高的话,支持的最高电机转速就会下降,所以目前的内转子电机极 数都是4以内。
8.1.6. 其他设计驱动需要的参数
定子电感:电动机静止时的定子绕组两端的电感。
定子电阻:在20℃下电动机每相绕组的直流电阻。
反电动势系数:在规定条件下,电动机绕组开路时,单位转速在电枢绕组中所产生的线感应电动势
值。
8.2. 直流无刷电机工作原理
在学习工作原理前我们先来学习一下安培定则,安培定则,也叫右手螺旋定则,是表示电流和电流
激发 磁场的磁感线方向间关系的定则。通电直导线中的安培定则(安培定则一):用右手握住通电
直导线, 让大拇指指向电流的方向,那么四指指向就是磁感线的环绕方向;通电螺线管中的安培定
则(安培定则二): 用右手握住通电螺线管,让四指指向电流的方向,那么大拇指所指的那一端是
通电螺线管的N极,如下图所示。
我们知道在磁极中同名相吸,异名相斥,及N极与S极相互吸引,N极与N极和S极与S极相互排斥,
下面我们来看看一个直流模型,如下图所示。

当两边的线圈通上电后,由右手螺旋定则可知两个线圈中将会产生方向向右的磁场,而中间的转子
会尽量使 自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致,以形成一个最短闭合磁力线回路,N极
与S极相互吸引, 这样内转子就会按顺时针方向旋转了。当转子旋转到如图所示的水平位置时转子
将不会受到作用力。
但是由于惯性的作用转子将会继续旋转,当转子旋转至水平位置时,交换两个线圈中的电流方向,
这时转子就会继续向顺时针方向转动了。当转子再次旋转至水平位置时,再次交换两个线圈中的电
流方向, 这样转子就可以一直旋转了。
有了上面的基础,我们再来看下面的“三相星形联结的二二导通方式”。
在A端上电源正极,在B端接电源负极,那么可以在线圈A和B中可以产生如图所示的磁场,因为磁
场强度是矢量, 所以由磁场B 和B 可以得到合成磁场B。此时转子就会保持在图中方向。
B A

想要转子转动就需要接入不同的电压,我们来分析一下图中的6个过程。
1. 在A端接入正电压,B端接入负电压,C端悬空,转子将会旋转至图中1的位置。
2. 在1的基础上,C端接入正电压,B端接入负电压,A端悬空,转子将会从1的位置旋转至图中2的
位置。
3. 在2的基础上,C端接入正电压,A端接入负电压,B端悬空,转子将会从2的位置旋转至图中3的
位置。
4. 在3的基础上,B端接入正电压,A端接入负电压,C端悬空,转子将会从3的位置旋转至图中4的
位置。
5. 在4的基础上,B端接入正电压,C端接入负电压,A端悬空,转子将会从4的位置旋转至图中5的
位置。
6. 在5的基础上,A端接入正电压,C端接入负电压,B端悬空,转子将会从5的位置旋转至图中6的
位置。
当转子旋转到位置6时,在重复1的供电状态,转子将会从6的位置旋转到1的位置。 在经过上面的6
个过程后转子正好转了一圈,我们将这种驱动方法称为6拍工作方式, 每次电压的变化称为换相。
想要电机持续的旋转我们只要按上面转子相应的位置接入相应的电压即可。
8.3. 直流无刷电机驱动设计与分析
8.3.1. 控制电路原理设计与分析
有了上面的原理分析,我们知道了怎么导通就可以让无刷电机转起来,因为单片机的引脚驱动能力
有限, 所以在这里我们使用一个叫做三相六臂全桥驱动电路来驱动无刷电机,原理图如下图所示。
在上图中导通Q 和Q ,其他都不导通,那么电流将从Q 流经U相绕组, 再从V相绕组流到Q 。这
样也就完成了上一节中的第一步,同理,依次导通Q Q 、 Q Q 、Q Q 、Q Q 和Q Q , 这也就
完成了6拍工作方式。但是,单片机的引脚直接驱动MOS管还是不行的,所以这里需要使用专用的
IC来驱动MOS管。
我们再来思考一个问题,在想让一对MOS管导通时,是需要知道上一步导通的是哪两个MOS管,
而且第一步中MOS管导通时转子的位置是我们自己规定,在实际使用中启动时转子的位置却是未知
的, 因此,我们并不知道第一步应该导通哪两个MOS管,所以这里我们需要知道转子的位置信息。
但并不需要连续的位置信息,只需要知道换相点的位置即可。 获取转子位置一般有两种方法,一种
是使用传感器,一种是不使用传感器。 这里以霍尔传感器举例子。
8.3.1.1. 霍尔传感器模式
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应:当电流垂直于外磁场通过半导体
时, 载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在半导体的两端产生电势
差, 这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。
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