无刷电机

无刷电机是一种新型的电机,其特点是不需要刷子进行转子与定子的电接触。相比于传统电机,无刷电机具有更高的效率、更小的体积和更长的寿命。本文将从工作原理、组成结构和与传统电机的区别三个方面来详细介绍无刷电机的特点。

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图1 网上的无刷电机

首先,无刷电机的工作原理是基于电磁感应和电子控制。无刷电机的转子是由永磁体组成,定子则是由线圈组成。当电流通过定子线圈时,会产生一个磁场,这个磁场会与转子永磁体的磁场相互作用,从而使转子开始旋转。在转子旋转的同时,电子控制器会监测转子的位置和速度,并控制定子线圈的电流,从而保证电机的稳定运行。

其次,无刷电机的组成结构也有所不同。传统电机的转子是由电刷和电极组成,而无刷电机的转子则是由永磁体和磁传感器组成。此外,无刷电机还需要电子控制器来控制电流和转子的位置和速度。这些特殊的组成结构使得无刷电机具有更高的效率和更长的寿命。

最后,无刷电机与传统电机的区别在于其效率、体积和寿命。无刷电机的效率比传统电机高出约10%至20%,这是由于无刷电机不需要电刷进行转子与定子的电接触,从而减少了摩擦和能量损失。此外,无刷电机的体积也比传统电机小,这是由于无刷电机的转子不需要电刷,从而减少了转子的体积。最后,无刷电机的寿命也比传统电机长,这是由于无刷电机不需要电刷进行电接触,从而减少了电刷的磨损和寿命。

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图2 无刷直流电机结构示意图

综上所述,无刷电机具有高效、小巧和长寿命等特点。随着无刷电机技术的不断发展,无刷电机将在越来越多的领域得到应用,如电动汽车、无人机、机器人等。

所以在各个行业运用无刷电机会越来越多,本次会用基于CW32芯片之下开发一款可以应用于大多数场景的一款水泵。现在对于水泵要求越来越高,所以我们改进水泵的工作模式,使水泵工作于最优工作点,降低功耗,就能实现水泵系统的节能,即节约电能和水能,给企业带来效益,同时也能提升竞争力。

在系统中,水泵的运行是靠无刷直流电机来带动的。本课题研究的目的是设计一套基于 CW32 的无位置传感器无刷直流电机控制系统(方波控制模式),既可以改进水泵的工作模式,使水泵工作点最优;又可以使水泵电机结构简单,控制方式更为灵活。以此将整个系统加入各个不同场景中,让CW32低功耗的优点,能让水泵共更加节能,高效。

本文设计一个小型水泵循环控制系统,该系统中带动水泵运行的电机的额定电压是48V,额定功率为500W。控制系统是基于CW32处理器,采用反电势过零检测方法对转子位置进行检测,从而实现对电机的换向控制。水泵控制系统中,采用无位置传感器无刷直流电机来带动水泵运行,不但缩小了水泵体积,而且增强了水泵运行时电机的抗干扰性和稳定可靠性。使水泵工作于最优工作点,尽可能使运行功率降低,改变了水泵一直满功率运行的状况,降低了功耗,实现了水泵系统的节能。

来源:CW32生态社区

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1►方案描述

针对低压无刷电机,大联大世平集团推出基于灵动股份MM32SPIN560C 的无刷电机驱动方案。由于MM32SPIN560C 内部集成了一部分驱动电路,所以方案外围电路比较简单。该方案适用于多种应用场合,如空气净化器、服务器风机、吊扇、落地扇、电动手工具、吸尘器、无人机电调、小型水泵等。

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1.1  硬件设计说明

1.1.1  主控

主控部分,采用的是灵动股份MM32SPIN560C,一款基于高性能Arm Cortex-M0 为内核的32 位微控制器。MM32SPIN560C最高工作频率可达 96 MHz,内置高速存储器,具有丰富的 I/O 端口和多种外设,包括:

  • 128KB Flash,8KB SRAM

  • 包含 12 位的 ADC,采样速度高达 3Msps

  • 5 个通用定时器、2 个针对电机控制的 PWM 高级定时器

  • 1 个 I2C 接口、2 个       SPI 接口和 3 个 UART 接口

  • 针对电机应用内置 3 个运放,3 个比较器

  • 内嵌经出厂调校的 48MHz 高速振荡器

  • 内置预驱工作电压 7V ∼ 48V

  • 5V LDO 稳压器,输入电压最高 13.5V

  • 提供 QFN48 封装

MM32SPIN560C 框图如下图所示:

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1.1.2  N-MOSFET

电机驱动部分,采用 6 颗 N-MOS 管来做电机的电子换相控制,并选择 Nexperia 的 PXN012-60QL芯片。PXN012-60QL 体积小、功耗低、漏源电压(VDSS)可达到 60V,连续漏电流(Id)可达到 42A,开关频率可达到 30KHz 以上。

1.1.3  电源设计

电源部分,采用了圣邦微 LDO SGM2225电源芯片。其特点如下:

  • 宽电压输入 Vin:3.6V∼ 36V

  • 输出电压可调 Vout:1.8V ∼ 15V

  • 最大输出电流 Iout:800mA

  • 低噪音、低损耗电压

  • 封装小,最小封装大小为 3*3mm

  • 过流/短路保护

  • 过热保护

  • 工作温度范围:-40℃ ∼ 125℃

方案原理图:

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PCB Layout:

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1.2  软件设计说明

软件部分,采用的是世平HALL FOC 双电阻采样的软件库架构,通过板载电位器使电机旋转,如此一来,整个软件结构清晰易懂。同时,还采用了双环控制(电流环+速度环),详情可见矢量控制框图,如下所示:

1.2.1  SVM

空间矢量脉宽调制(SVM)是FOC的基础,是根据其所在扇区选择非零矢量与零矢量合成而成。SVM有三种类型:五段式、七段式、混合式。七段式开关次数较多,但谐波较小;五段式开关次数是七段式的一半,但谐波较大,代码采用的是七段式。SVM的实现流程大致如下:

1)判断合成矢量所在扇区

2)计算相邻矢量作用时间

3)计算各桥臂导通时间

4)得到各相PWM占空比

5)更新相应寄存器值

1.2.2  Current Sensing

在电流环,选择双电阻采样,通过采样 V 和 W 相的下桥臂电阻上的压降,再用基尔霍夫电流定律计算第三相(U 相)的电流。

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1.2.3  HALL 角度补偿插值

在速度环,软件采用霍尔传感器插值补偿角度方法,对电机转子的速度进行估计与控制。

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1.2.4  软件架构介绍

世平提供的 FOC 软件结构如下图所示,这套软件具有以下特点:

1)时序清晰

仅使用一个常用中断,减少可能的时序冲突和 BUG。

2)便于移植

算法层、驱动层、数学库完全独立,软硬件配置完全剥离,互不干扰。

3)定标统一

统一 Q15 小数定标。

4)函数模块化

逻辑清晰的状态机,简洁明了的状态切换。

5)配置方便

主要参数配置意义明确,可视化。

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灵动股份官网附有 MM32SPIN560C 的全套低压无刷电机套件软件支持包,详情请见灵动股份官网链接:

https://www.mindmotion.com.cn/support/development_tools/evaluation_board...

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2►场景应用图

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3►产品实体图

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4►展示板照片

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5►方案方块图

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6►核心技术优势

1)Arm Cortex-M0 32 位 MCU,主频高达 96 MHz,内置预驱、比较器和放大器,整个驱动电路简单

2)MCU 电源使用 5V,可由 MCU 内部 LDO 转换

3)支持有传感器/无传感器的 BLDC/PMSM 电机

4)支持 1/2 Shunt R 三相电流采样

5)可通过跳线选择不同的电机回授方式,比如:HALL、BEMF、IPD 等

6)支持 DC Bus 电压, 总电流量测

7)使用 MCU 内建比较器作为过电流保护

8)ADC 采样速率高达 3 Mbps

9)支持单电阻 PWM 移相,降低单电阻算法复杂程度

7►方案规格

1)MCU:Arm Cortex-M0 32-bit 内核,主频高达 96MHz

2)MCU 电源使用 5V,可由 MCU 内部 LDO 转换

3)支持 UART 通讯 & LIN 通讯

4)支持 2 种电源输入接口:DC-Jack 和接线端子

5)使用 60V/40A N-MOS 管 * 6

6)支持 2 种 SWD 调试接口

7)支持 2 种调速接口:电位器和外接电压

8)具备 LED 指示灯 & 按键

9)开发板尺寸 : 65 * 75 mm

来源:灵动MM32MCU

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意法半导体推出一款75V以下低压工业应用高集成度三相半桥驱动器IC,这是一个节省空间、节能高效的电机控制解决方案,适用于控制电动自行车、电动工具、泵、风扇、轻型机械、游戏机和其他设备内的三相无刷电机。

STDRIVE101内置三个用于驱动外部N沟道MOSFET的半桥驱动器,每个驱动器的最大拉电流和灌电流都是600mA。芯片内部集成自举二极管和50mA 12V低压降(LDO)稳压器,可随时为外部组件供电,最大程度地减少物料清单成本。集成的比较器配合外部电阻可以检测电流,MOSFET漏源电压监视功能可以实现短路保护。

内部基本安全功能包括内部产生的防止交叉导通的死区时间、过热关机功能,以及防止MOSFET在低效率或危险条件下工作的高低边欠压锁定(UVLO)。

DT/ MODE选择引脚让设计人员可以选择使用单独的高边和低边信号或单个PWM信号控制开关管,并启用输入。待机引脚可使STDRIVE101进入LDO稳压器关闭的低功耗模式,在空闲时最大程度地节省电能。

STDRIVE101现已投产,采用4mm x 4mm 的24引脚VFQFN封装。

详情访问 www.st.com/stdrive

关于意法半导体

意法半导体拥有46,000名半导体技术、产品和方案的创新者和创造者,掌握半导体供应链和最先进的制造设备。作为一家独立的半导体设备制造商,意法半导体与十万余客户、上千合作伙伴一起研发产品和解决方案,共同构建生态系统,帮助他们更好地应对各种挑战和新机遇,满足世界对可持续发展的更高需求。意法半导体的技术让人们的出行更智能,电力和能源管理更高效,物联网和5G技术应用更广泛。详情请浏览意法半导体公司网站:www.st.com

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