无刷电机电调驱动设计

### 无刷电机电调驱动设计 #### 一、无刷直流电机基础知识 无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM）是一种高效、可靠且维护成本低的电动机，广泛应用于各种领域，包括但不限于家用电器、工业自动化、航空航天及航模等领域。 ##### 1.1 三个基本定则 **1. 左手定则**：用于判断通电导体在磁场中的受力方向。当手指指向电流方向，拇指指向导体运动方向时，四指所指的方向即为磁场方向。 **2. 右手定则（安培定则一）**：用于判断载流导体周围磁场的方向。将右手的大拇指指向电流方向，其余四指环绕导体，则四指所指的方向即为磁场方向。 **3. 右手螺旋定则（安培定则二）**：用于判断载流螺线管产生的磁场方向。右手握住螺线管，让弯曲的四指指向电流方向，则大拇指指向的即是螺线管内部磁场的方向。 ##### 1.2 内转子无刷直流电机的工作原理 内转子无刷直流电机是指转子位于电机内部，定子位于外部的一种电机类型。其工作原理基于电磁感应原理。 **1. 磁回路分析法**：通过分析电机内部的磁路，可以了解电机的工作状态。磁路包括永磁体、气隙和铁心等部分。 **2. 三相二极内转子电机结构**：这类电机通常采用星形连接，具有三个绕组，每个绕组相隔120°。电机内部有两个极（N极和S极），定子上设有三相绕组。 **3. 三相多绕组多极内转子电机的结构**：相较于三相二极电机，这种电机具有更多的极数和绕组，从而提高了电机的性能和效率。 ##### 1.3 外转子无刷直流电机的工作原理 外转子无刷直流电机的特点是转子在外侧，定子在内侧，适用于需要高扭矩的应用场景。 **1. 一般外转子无刷直流电机的结构**：这种电机的结构与内转子电机相似，但转子和定子的位置相反。 **2. 新西达2212外转子电机的结构**：这是一种常见的外转子无刷电机型号，具有较高的扭矩和转速特性，广泛应用于航模飞行器中。 ##### 1.4 无刷直流电机转矩的理论分析 转矩是衡量电机性能的重要指标之一。 **1. 传统的无刷电机绕组结构**：通常采用三相绕组结构，通过电子开关器件实现换相控制。 **2. 转子磁场的分布情况**：转子上永磁体的磁场分布决定了电机产生的转矩大小和特性。 **3. 转子的受力分析**：通过对转子在不同位置下的受力情况进行分析，可以计算出电机的最大转矩和效率。 **4. 一种近似分析模型**：建立数学模型，对电机的性能进行近似计算，以便于设计和优化电机。 ##### 1.5 换相与调速 **1. 换相基本原理**：通过改变施加在电机绕组上的电压顺序来改变磁场方向，从而使电机转子旋转。 **2. 新西达2212电机的换相分析**：具体分析该型号电机在不同运行状态下的换相过程。 **3. 调速**：通过改变施加在电机上的电压或频率来调整电机的转速。 #### 二、无感无刷电调的驱动电路设计 无感无刷电调是指无需霍尔传感器或其他传感器就能实现电机驱动的电调装置，其设计涉及到多个方面： **2.1 电池电压监测电路**：用于实时监测电池电压，确保电调能够在安全电压范围内工作。 **2.2 换相控制电路** **1. 六臂全桥驱动电路原理**：这是无感无刷电调中最常用的电路形式，由六个功率晶体管组成，能够实现电机的三相驱动。 **2. 功率场效应管的选择**：根据电机的工作条件选择合适的功率场效应管，保证电调的稳定性和可靠性。 **2.3 电流检测电路**：用于检测电机工作时的电流值，以实现过流保护等功能。 **2.4 反电势过零检测电路**：通过检测电机产生的反电势来确定换相时刻，对于无感无刷电机至关重要。 **2.5 制作你自己的电调线路板**：介绍如何设计和制作电调电路板，包括元器件布局、PCB设计等方面的知识。 #### 三、无感无刷电调的软件设计 **3.1 电流检测**：软件层面上实现对电机电流的精确测量。 **3.2 定时器延时与PWM信号** **1. 定时器初始化**：设置定时器的工作模式和预分频器等参数。 **2. 定时器T0的溢出中断服务程序**：编写定时器中断服务程序，实现定时功能。 **3. 利用T0延时（毫秒极）**：使用定时器实现毫秒级的延时。 **4. 利用T0延时（微秒极）**：使用定时器实现微秒级的延时。 **5. PWM信号的产生**：通过设置定时器的匹配寄存器来产生所需的PWM信号。 **3.3 过零事件检测与电机换相** **1. BLMC.h中定义的宏**：宏定义是软件设计的基础，这里介绍了与过零检测相关的宏定义。 **2. 过零检测与换相代码分析**：具体分析过零检测和换相控制的代码实现。 **3.4 启动算法**：电机启动过程中，如何通过算法控制电机平稳启动。 **3.5 上电时的MOSFET自检**：电调上电后，对MOSFET进行自检以确保正常工作。 **3.6 让你的电机演奏音乐**：通过控制电机的速度变化来模拟音乐旋律。 **3.7 通信模块** **1. PPM解码**：将接收机输出的PPM信号转换成可被电调识别的信号。 **2. TWI总线通信**：介绍电调与其他设备之间通过TWI总线进行数据交换的方法。 **3. 串口通信**：电调与计算机或其他设备之间通过串口进行数据通信的方式。 **4. 指令的收入函数SollwertErmittlung**：处理从外部接收的指令，确定电机的期望状态。 #### 四、德国MicroKopter项目BL-Ctrl电调程序主程序代码流程分析 这部分内容主要针对德国MicroKopter项目的电调程序进行详细分析，包括程序的整体架构和关键功能模块的实现细节。 **5.1 全局变量列表**：列出程序中使用的全局变量及其作用。 **5.2 main主函数流程分析** **1. 进入while(1)前的准备工作**：包括初始化硬件资源、配置中断等。 **2. while(1)主循环内容分析**：详细分析主循环中的各个操作步骤。 #### 五、高级话题 **5.1 电机的控制模型**：探讨更复杂的电机控制模型，以提高控制精度和响应速度。 **5.2 四轴上的校正策略**：在四轴飞行器中应用的电机控制策略，包括PID控制等方法。 #### 结语 无刷电机电调的设计是一个复杂而精细的过程，涉及硬件设计、软件编程等多个方面。通过对上述内容的学习，可以全面了解无刷电机及其电调的设计原理和技术要点，为后续的实际开发工作打下坚实的基础。