电机驱动电路模块(交直流)-20168

电机驱动电路（交、直流）综述：我们在实际产品及项目开发过程中，经常会碰到很多控制对象或负载是电机的。我们知道电机是属于感性负载，在实际驱动过程中需要注意很多问题，比如冲击电流大小，驱动电压、驱动方式，怎么保证EMC、EMI性能等。下面针对我司常用的几种类型的电机来探讨下驱动电路模块及一些应用注意点。其中包括步进电机、直流无刷电机(FOC恒力矩电机)、直流马达、PG交流电机等;目录(目前我司常用的几大类)：一、步进电机二、直流电机三、PG交流电机（PID算法）一、步进电机介绍：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。步进电机典型内部接线示意图：我们一般常用步进电机为四相八拍的，示意接线图如上。下面我们例举一款BYJ系列减速永磁式步进电机（35BYJ46）作详细阐述。接线图：红线：供电+12VDC棕色：A相线黄色:B相线橙色：C相线蓝色：D相线注:以上相线顺序根据不同厂家、不同规格可以是不同的，具体请参阅相应型号的规格书。35BYJ46主要几个技术要求：1.额定电压:12VDC2.直流电阻：130欧±7%（25℃）3.驱动方式：四相八拍（即A,B,C,D四根相线）4.减速比：1/855.步距角:7.5°/85（每一拍角度值）6.自定位转矩=600gf.cm7.牵入转矩：=1500gf.cm(100HZ)等等;针对以上的技术指标需要注意以下几点：1.供电电源：12VDC电源需要尽量稳定，控制在12VDC±1V以内。过大的电源纹波会造成步进电机转动不平稳，工作中会有微弱抖动。2.常用步进电机的驱动方式：如顺时针一个循环八拍为A相-AB相-B相-BC相-C相-CD相-D相-DA相；同理逆时针一个循环八拍为DA相-D相-CD相-C相-BC相-B相-AB相-A相;由于每根相线直流电阻典型值为130欧，结合软件控制方式每次最多2根相线处于工作状态。所以设计步进电机瞬时驱动电流大小为：I=2*12V/130欧=184.6mA,设计时也请留足余量：建议=200mA;3.每相脉冲持续时间：四相八个拍,每个相线脉冲保持时间参考电机的自定位力矩和牵入转矩等参数、并结合实际应用经验及一些应用负载场合实际状况。我们一般建议采用值：4MS~10MS;并且每个相线这个驱动时间应尽量等长，不等长同样也会造成电机在转动过程中有抖动。注：a.若这个时间太短（如1MS甚至更小）转速会很快，可能在转动过程中不好控制，容易失步，并且力矩很弱可能带不动相应的负载（如摆页、风门等）；b.这个时间如果太长如一拍20MS或者更大，那么电机转动会很慢，效率很低，但是转动力矩会得到相应提高。一些需要大转矩场合可以适当加大这个时间长度。这个原理也累似于汽车发动机转数与牵引力的关系(这个转速与扭矩的关系大家可以在实际使用过程中灵活调整，从而达到最佳的效果！)。4.具体转动角度计算方法:我们结合减速比（1/85）及步距角（7.5°/85）这两个参数可以计算出软件上应该给几个八拍的脉冲:假设要顺时针转动45°角=(7.5°/85)*8拍*X;得出X=63.75,所以我们程序里面可以设置64这个值，以达到控制步进电机转动45°角的目的;5.步进电机软件驱动方法:采用定时中断调用，尽量保证每个节拍的驱动时间等长，步进电机端口赋新值尽量一次性赋值，步进电机停止时确保所有四相的驱动口线保持关闭，若有未关闭口线则会因长时间通电发热，损坏电机。另步进电机摆动时到达极限位置时可适当停顿几十毫秒(MS)时间，有利于缓解步进电机内部线圈发热现象，提升其工作及使用寿命。常用步进电机的硬件驱动线路:1.采用ULN2003达林顿驱动芯片；2.单片机MCU驱动IN一般建议规划在同一个PORT口（如P1.0~P1.3）因为步进电机驱动程序一般是放在中断程序中的（当然能保证每拍驱动时间等长也可以放主程序中处理);同一个P口可以提高代码的执行效率；3.硬件原理实施：若单片机A-IN~D-IN驱动IN相应口线输出高,则A-OUT~D-OUT步进电机实际相应口线导通;注意点:a.在空调产品的步进电机控制中一般在上下角度极限点的时候会有个停顿过程，这个时间一般是几十毫秒或者是零点几秒，此时所有相线保持不通电状态，这样一方面是为了功能上实现的需要，一方面可以减轻步进电机里面线圈绕组的发热程序，延长使用寿命。b.另外一般对某些有极限位置的产品会在极限位置加几个拍的驱动脉冲，从而保证步进电机能旋转到位，而有些会在步进电机连续运行几个或几十个小时后利用一些限位进行一次自动校准过程，这样可以防止在长时间运转过程由于步进电机偶尔的失步造成运转角度的偏离。常用软件控制处理方式:以东芝芯片TMP86FH09为例：1.初始代码如图：2.简易驱动代码如图:（其他相关初始化及设置略）二、直流无刷电机介绍：无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化无刷直流电机实物图产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是:接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速;提供保护和显示报警等等；直流无刷风机具有高效率、高可靠性等特点，并能从很大程度上实现静音效果。肺宝用无霍尔传感器FOC电机：无霍尔FOC实现了启动平稳，超静音，逆风启动等性能；下面了解下FOC电机的一些技术特征：FOC电机的特性：1.控制算法：无传感器FOC2.控制方式:速度控制/恒DUTYPWM控制3.调制方式：空间矢量脉宽调制(SVPWM)4.电流采样方式:2/3桥臂电阻取样；5.调制频率:16KHZ;6.速度波动率：0.5%;极数4极；7.启动方式：恒电流启动，软启动；8.保护功能：内部锁住保护（含电压堵住，自动断电及断电后自重启等）、极性保护（VCC与GND反接时，不导通）、过流保护等；9.无传感器磁场定向控制（FOC）具有转速稳定度高、没有传感器误差影响等诸多优点；FOC电机-我司应用时典型硬件接口电路原理:1.电机采用12V供电；PWM信号电压根据相应FOC电机规格参数来决定。2.我司目前应用的电机内部PWM信号采用3.3V供电，并通过检测MCU给定PWM波形信号的占空比Duty来实现对电机的速度的调节。3.IO-PWM脚给定的驱动频率F=4KHZ；适当的PWM频率可以缓解对MCU的苛刻需求。4.软件上鉴于PWM的频率不是太高,可以采用定时器模拟的方式来实现,通过调整定时器的初值参数来实现对PWM占空比的调整，如果要提高PWM控制的精确度建议还是采用专用的PWM口来输出控制。FOC电机-我司应用PWM控制信号输出代码(中颖SH79F084A):1.Pwm初始化相关:FOC电机-Pwm驱动高、低档风机简易代码示例：BRUSHLESSCOOLINGFAN直流无刷风扇电机-高转速、低噪声，控制方式简单、方便，能效较高;该直流无刷风扇电机的特性：1.控制算法：调节PWM的占空比，从而调整电机控制端的电压值；2.控制方式:速度控制/恒电压控制；3.调制方式：PWM脉宽调制方式;4.调制频率:一般4KHZ,根据具体硬件电路电容、电阻决定周期多少;5.启动方式：软启动,启动电压需6VDC；6.保护功能：内部锁住保护（含电压堵住，自动断电等）、极性保护（VCC与GND反接时，不导通）、过流保护等；直流无刷风扇电机-我司应用时典型硬件接口电路原理:1.电机采用12V供电；电机的控制电压由单片机口DCFAN1-1产生一个2K~4KHZ的PWM的信号结合电容E11的储能原理，通过调节PWM控制信号的占空比来实现对电机控制电压的调整。客户一般会根据2脚的控制电压值来约定对高、中、低等不同档位的转速要求；比如高档12V,中档9V,低档6V等。2.PWM的周期选择同样也是根据E11电容的容量大小合理选择，过大或过小的周期均不合适，周期过大电容太小，那么电压就调节不了，一直都是满偏的电压值，周期过小电容太大，也可能造成电压值调不上去，所以周期跟电容与电阻的匹配是很重要的；3.另外根据不同的直流电机控制电压有些不同，有些直流电机是直接从控制电压端（如2脚）取能量，取电流的如右图所示，电解电容就适当取得比较大（可以减小电机供电纹波），但是有些直流电机可能单纯只是取一个电压信号，那么这个电容发就可以取比较小如47UF或4.7uf等；另外针对上述第三点提到的需要大电流驱动的场合还有一种方式值得大家借鉴：大家可以看下下面的电机控制端电路的优点有哪些:直流无刷风扇电机-我司应用PWM控制信号输出代码(东芝TMP86FH09):1.Pwm初始化相关:电机控制函数:直流无刷电机(马达)DC310V-我司使用江苏三江的型号YCZW003其典型的技术指标如下（电机绝缘温度E级：绕组温升限值75℃，最高允许温度120℃）:直流无刷电机-我司目前使用的一款江苏三江的型号YCZW0031.控制接口说明及原理示意（注:轴流风叶叶片宽大、短，与转轴几乎是在同一平面，常用于送风系统，最常见于电风扇、空调外机风扇等，贯流风叶叶片成长条状以轴为中心筒形排列外形似水桶，常用于排风系统，最常见的类似吸油烟机，空调挂机等。）直流无刷电机-我司目前使用的一款江苏三江的型号YCZW0032.直流电机内部电路图：直流无刷电机-我司目前使用的一款江苏三江的型号YCZW0033.电机接线端子定义：直流无刷电机-我司目前使用的一款PG电机型号YYR20-4A10-PG-24.直流电机速度控制的实现：一般不同厂家的电机启动的VSP电压及最大极限的VSP电压有所不同;典型速度指令电压曲线,直流无刷电机-我司目前使用的一款江苏三江的型号YCZW0035.直流马达的反馈FeedBack(FG):采用OC门集电极开路输出，注意单片机IO(建议EXT_INT)外部中断口需外加上拉电阻;反馈脉冲一般为50%占空比的脉冲信号；然后根据电机每转几个脉冲反馈，来控制电机的速度；直流无刷电机-我司目前使用的一款江苏三江型号为YCZW0036.直流马达的其他一些必要的保护机制:6.1.过电流保护在起动加速及转子堵住时，检出连接到Im端子的电流,如电阻上的电压超过基准电压[VR=0.5V(typ)]时,经过延迟时间（约2.3μS），便关断开通状态下的高端IGBT输出，停止电流的增加。用PWM的下一个ON信号来解除停转状态。直流无刷电机-我司目前使用的一款江苏三江型号为YCZW0036.2.过热保护由于外部的原因或内部发热，当模块的温度升高到设定值（TSD=135～185℃-typ）时，与输入无关而全部出力IGBT管关闭。这个保护功能具有滞后性（：△TSD=50℃-typ）,当模块温度降低到TSD-△TSD以下的温度时，自动回复。再次随从输入，IGBT开通。另外，因为模块内部温度检出位置只有一个，而温度检出位置与发热源的距离有一定差异，到关闭的时间也有差异，因此过热保护回路动作时，有可能IC模块温度已经超过过热保护温度以上。6.3.电源电压过低保护（欠压保护）当Vcc电源降低到