一次电动车直流无刷电机控制器的设计
novakon2015/08/17电气电工 IP:浙江
原题为“电动车直流无刷电机控制器的设计”,写完题目就后悔了,根本不是我能驾驭的。于是加了“一次”。


首先用我能组织的最简单的语言,讲讲直流无刷电机的原理。


无刷电机的转子为永久磁铁,定子为电磁铁。转子本身具有一磁场,通电后,定子也产生一磁场。同性相吸,异性相斥,当两个磁场互成90度时,产生最大转矩,推动转子转动。如果要保持这个转矩,让转动持续下去,就要时刻保持两磁场互相垂直,因此会采用一定手段测量转子磁场当前的所指的角度,并相应改变定子磁场的角度。
定子磁场角度的改变,是靠调节定子各个绕组的电流实现的。定子虽然不能移动,但是可以令各个绕组互成一定角度,利用矢量叠加原理,将多个单向的磁场合成一个在平面内可以旋转的磁场。
此处应有配图,但考虑到时至今日网络如此发达,在谷歌搜索一下“矢量磁场合成”即可获得大量演示图片,故省略。
无刷直流电机,属于交流电机的一种,由于其内部绕组电流变化与直流电机类似,故称为直流无刷电机。


综上所述,一个无刷电机控制器要完成如下任务:
1)测量转子磁场当前所指的角度。
2)调节各个定子绕组的电流,以合成与转子磁场互成90度的磁场,产生转矩。


市面上绝大多数电动自行车所采用的无刷电机,采用3相Y型联接的定子绕组,并采用霍尔开关元件作为角度反馈。


霍尔开关元件:固定在电机内,当转子磁铁经过此元件上方时,可根据磁铁极性的正负(南北),输出高或者低的逻辑电平信号。通过在电机内合适的位置安装这些元件,可以粗略地测量转子磁场目前所指的方向。目前商品电机采用3个霍尔开关,更详细信息请搜索“霍尔元件测量相位”。


定子电流:通常是通过调节施加在绕组上的电压来控制的。3相Y型联接的绕组有三条输入线,分别接到3个半桥的桥臂上。这样一来,加在某两条线之间的电压可以是正或者负的电源电压,而流过的电流的方向也就是可以改变的。
与其他交流电机不同,直流无刷电机在同一时刻只有两条线需要接电源,第三条线悬空。因此对于3个半桥,在同一时刻我们只控制其中两个半桥,而令第三个半桥上下管都关断,呈现高阻。当旋转过一定角度后,霍尔元件状态改变,绕组通电方向也应随即发生改变,这一过程称为换相。


此处应有配图,请搜索“三相桥 无刷”。


直流无刷电机的特点:和直流有刷电机一样,可以使用电压模式(PWM)控制,电压不变时转矩随速度增加而线性下降。
此外,由于霍尔元件输出数字逻辑信号,而三相桥驱动的输入也是数字逻辑型号,中间的控制电路就是数字逻辑电路,因此其组成可以非常简单,使用74逻辑IC即可搭建,也有成品如MC33035等IC可以实现所需功能。这一切使得无刷电机得到大规模应用。关于输入和输出的逻辑关系,请搜索“无刷 换相表”。
CPU风扇就是无刷电机。


商品电动车控制器多使用微控制器(单片机)作为控制单元,因为相比其他分立数模电路而言,单片机可以以更低的成本处理更加复杂的输入,进行更复杂的逻辑与数学运算,产生更加复杂的输出,提供更多的功能。相对的,如果只是需要转动(例如CPU风扇),则控制电路可以极简。
来自:电气工程 / 电气电工
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~~空空如也
novakon 作者
9年4个月前 IP:浙江
785795
如何控制3个半桥?我选择了3相桥驱动芯片IR2136,它可以利用内部设计配合外部元件,实现驱动低端NMOS和高端NMOS。而且散新并不贵。


场效应管的选择?P75NF75是最常见的,我买了一堆,拆机2毛9。最便宜的是拆机2SK4145,在1毛5左右。想高端一点的话,可以考虑IRFS3607,这些管子都是60-75V左右的,适合48V电机。其实电流能力、内阻都差不多,性能上的区别主要集中在Qg和Ciss/Crss这几个参数上,IRFS3607是最优秀的,但用在低速开关场合,不配合优异的电源退耦设计的话其实并没有太多鸟用。


单片机是我熟悉的STM8S105C6T6.


最开始是分开来做的,就是专门做了个驱动板,然后单片机连上去。



QQ截图20150817234415.jpg QQ截图20150817234444.jpg QQ截图20150817234508.jpg 20150811_132517.jpg
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novakon作者
9年4个月前 修改于 9年4个月前 IP:江西
785799
20150810_155217.jpg


测试环境。


其实并不困难,有单片机基础的同学都能做出来。当然这里给出的信息都是指导性的,实际上我是看了大量的PDF(99%为英文)才开始动手实验的,希望大家也不要跳过这一步。给几个提示:
1)启动的时候,占空比和输入电压都设低一点。电压模式控制,速度为0的时候转矩最大,上电瞬间车轮会猛地加速,瞬时电流很大。
2)将要停转的时候,将所有桥臂关断。电机在高速运行时,如果瞬间调低驱动占空比,会产生负的转矩和负的功率,电机成为发电机。电源电压会瞬间变得很高,烧坏很多东西。


注意:最开始调试都是电压模式控制(固定pwm),但电压模式控制有它的缺点,比如转矩波动,比如转矩和速度相关(高速时,较低的正向电压会产生负转矩),这其实都不是我们想要的。最终目的是实现电流模式控制,因为转矩是由磁场力产生的,而磁场力与磁场强度成正比,磁场强度又和电流成正比。由于这一版的板子上没有做电流放大电路,因此作罢,重新画板。不过基本的理论和方法都得到了验证,这一个月算是值得吧。


PCB和SCH送给大家,AD14格式。

attachment icon BLDC_Alpha.zip 945.20KB ZIP 163次下载


注意:从采样电阻上端直接连线到IR2136的过流保护输入端是不合适的,至少要加RC滤波。这是因为PCB走线中的大电流在高速开关时会产生很大的开关噪声,这些噪声会耦合到其他线路中;以及采样电阻本身及周围的寄生电感与寄生电容产生的寄生震荡。这些噪声会令过流保护误动作。如果希望完全消除,需要非常多电容多点分别退耦,目前暂时做不到。在下一版的pcb中RC滤波已经补上。
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novakon作者
9年4个月前 修改于 9年4个月前 IP:江西
785804
还有很多的问题,如果各位去做,就会遇到。
一个典型的例子,是霍尔信号调理。考虑到霍尔元件是开集电极输出,很多同学就上拉电阻,实际上当霍尔出线和电机线捆绑的时候,电阻的上拉根本无法应对电机电流的强大干扰。结果就是电机抖动,不是因为霍尔元件有故障,而是霍尔信号线上的干扰毛刺导致误换相。

原理方面,如果非要推荐什么资料,我觉得可以去看一下Microchip的AN885。
以及这一份:
attachment icon AN4776.pdf 443.89KB PDF 187次下载 预览
我想看完之后,大部分玩过单片机的同学都能写出代码了。

针对电动自行车控制器,下面这份资料有更多的技巧性和实践性的内容。除了换相,控制器还承担了许多功能。

attachment icon 电动车直流无刷电机控制器设计白皮书 V02.pdf 1.08MB PDF 1032次下载 预览
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novakon作者
9年4个月前 IP:浙江
785807
当然也就有了第二版的控制器,目前板子还在嘉立创。
第二版将单片机、霍尔信号调理、电流信号滤波放大、多功能模拟输入和电机驱动做到了一起。

先睹为快。


QQ截图20150818005538.jpg QQ截图20150818005600.jpg QQ截图20150818005633.jpg
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novakon作者
9年4个月前 修改于 9年4个月前 IP:浙江
785811
下面谈谈为什么要做。


目前手头有很多与电动车相关的项目,每一个都会用到控制器。直接买控制器又快又便宜,但是市面上的控制器不足以满足我的要求,才会自己画板来做这个东西。


买人家的开发板来抄,实际上有抄的时间,画都画好了。板子本身不值钱,比如下面这个300元的,功能其实就是我的第一版板子,但是体积大了不少,做产品直接用它这个没意义,将来一定要重新layout一遍的,何不直接开始做?知识储备够了,样机平均成本30元都不到。
实际上我是发帖的时候才去看淘宝的,没想到各家的方案都差不多,英雄所见略同。


而且它这个上管S到下管D的引脚这么长,寄生电感大,电源又没有靠近mos引脚退耦,因此开关速度不可能快(快了要出尖峰,炸管),开关损耗肯定会大。
QQ截图20150818014025.jpg QQ截图20150818014045.jpg QQ截图20150818014129.jpg


而且动不动就DSP,做出来的东西贵的要死,根本没有生存空间。既然我们是做车的,所有零件凡是能自己做的,必须自己做。省100元就是赚100元,何乐而不为?
拿人家的东西,调试好跑起来,又有什么用?技术不是你的,出了问题解决不了,还不是一样会拖进度。


QQ截图20150818014343.jpg
上面这种是很成熟的商品车用控制器,我这里一堆。很成熟很耐操的设计,里面很便宜管子(多数是2SK4145),只计算零件成本,大概15元左右。缺点是,转把输入到功率输出,这中间的传递函数,不是你说了算的,唯一的控制方法是PWM转模拟电压,只有电压模式(占空比)控制,也不能电子刹车,很多甚至还不能倒车。用来做普通的电动自行车可以,做点别的就难用。




QQ截图20150818015059.jpg



这种则是比较好的,485输入,直接控制电机,各种反馈模式可选,控制性能非常好,功率各方面也还可以,缺点还是贵,他140,我40成本,100块钱一台车我自己赚多舒服。没错我就要做最便宜最爽的,这也是一种追求。虽然厂家有技术支持,但是能支持到什么程度呢?大家如果想做个毕业设计,可以直接买这种模块,但是现在是做产品,什么都买的话,还要工程师何用。


综上所述,这个必须得做。
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novakon作者
9年4个月前 IP:浙江
785908
引用 北落师门:
这个要支持,是否可以把控制部分和功率部分分开做,那么下次要加大功率只需要换更大的功率板就行了,控制部分不需要重新做。
目前这个设计,适合功率在400W左右及以下的电机。对于普通自行车来说,有这个功率就差不多了;如果是做一些比如物流寻迹小车之类的,则绰绰有余。提高功率容量可以通过更换更贵的场效应管实现,板子是不变的。分开来做之后,两个板子之间的可靠连接是个问题,如果是做实验没问题,做产品的话,有可能还是尽量放在一个板子里。
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novakon作者
9年4个月前 IP:浙江
785909
再谈谈程序。懂一点单片机的同学,如果认真看了上面几个pdf,就知道代码其实不难,无非就是定时中断查询霍尔输入,转换成相应的桥臂输出状态。如果只能生成单路PWM,可以通过调制IR2136的EN脚实现斩波;最优办法还是在单片机内部利用定时器实现多路PWM直接控制各个桥臂,STM8 STM32 AVR都支持这样的信号生成。



我的代码是针对STM8的外设写的,逻辑部分仅供参考,是否照抄各位自便。代码不会非常整洁,我也不可能逐字逐句去解释每段程序的用途,只是希望能给想做的人带来一些帮助。打开工程需要EWSTM8 1.42版。在Template文件夹中找到project.ewp打开即可,编译配置选择bldc2。代码是适配第一款板子+stm8s105板子的,新板子的代码暂时还没有写。

attachment icon stm8s005wkspc.zip 16.47MB ZIP 243次下载



虽然最近这些都是商业项目,但是PCB还是送给大家。

attachment icon BLDC_Beta_RENEW.zip 3.16MB ZIP 156次下载
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novakon作者
9年4个月前 IP:浙江
785926
很重要的一个问题当然是MOSFET的散热设计。
TO220封装,配合合适的散热器,可以耗散几十瓦;但贴片的D2PAK就做不到了。下面这个pdf是ST官方给出的珍贵数据。


attachment icon CD00004438_GUIDELINES FOR USING ST’S MOSFET SMD PACKAGES.pdf 776.65KB PDF 183次下载 预览
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novakon作者
9年4个月前 IP:浙江
786397
引用 wuncle:
现在很多产品如果想要“完美”的功能,只能自己DIY了。
LZ会出成品吗?
会。
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novakon作者
9年4个月前 IP:浙江
786398
引用 沉默羔羊:
STC15系列的据说有6路带死区单独的PWM,用来做这个是不是更方便?东西也不贵。
很多都有。
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
786411
引用 fgtzjl:
140还贵啊,自己做哪够啊,光打样个板子就占去大半了要,买零件还得邮费啥的,还得调试,炸板都是时间啊
做一套可以买,做100套你买吗
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
786695
完工,电压模式工作正常。

20150820_190937副本.jpg


20150822_002153.jpg


20150822_002102副本.jpg


20150821_232332.jpg


microMsg.1440170484973.jpg
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
786769
引用 神之觉醒:
大神的板子就是不一样, 电车的一定要霍尔检测位置么,  貌似没见过不用霍尔检测的, 如果不使用霍尔元件检测, 启动的时候可能会抖抖抖抖抖抖抖......
用绕组反电动势可以估测相位,但是低速时不起作用,因此启动抖抖抖
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
786771
引用 航模发烧友:
那些灯的作用是什么?
提示桥臂电压用的。
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
786853
引用 北落师门:
有没有碰到过启动抖抖抖然后把电源的滤波电容炸掉的情况?感觉模型电调的设计余量普遍不足,电容非常烫
那是因为启动抖抖抖的过程中,除了耗电,也有些阶段是发电的,然后电容耐压不够就炸了。电调纹波电流很大的,我想是这样。我对模型电调了解不多,抽时间再看。
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
786858
引用 闲着会生病的:
实际上专业的产品设计都是IGBT模组、驱动、控制板都是分开的,至于连接可靠性的问题那是你没选对连接器,上图这个驱动板和IGBT(INFINEON)就是插针连接,驱动板和控制板之间也是接插件连接。
你可以拆几个进口车的电机控制器参考一下。
我们希望减少板子的数量。为了节省成本,也没有使用隔离电源,而是采取共地的设计。
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novakon作者
9年4个月前 IP:江西
787166
引用 fgtzjl:
所以说做的好就是专用的电机配专用的控制器,电调和这种比起来还不是同一个概念。最大头的应该是电机控制算法不只是简单的出个PWM就可以,好的控制器输出是矢量控制的。要求高也只能是适合自己用而已。
fgtzjl兄看到我的山寨做工,为我感到十分着急。


说一下目前的情况:


我们能选用的电机,只有普通的电动自行车轮毂电机,无刷无齿直驱。唯一的相位反馈就是霍尔反馈。这种电机的好处是便宜,耐操,不心疼。
我们准备做的车,是两轮差速车,在路面上跑用来拉货的。维持方向靠组合导航。


配编码器,测精确相位,搞矢量磁场控制,咱不是不懂,而是正如你说的,一个是成本和复杂度上去了,一个是没有必要。


市场上的廉价电动车控制器是对很多东西的简化和缩水。矢量控制可以减小转矩波动,但廉价产品没有编码器,于是就通过换相后给满占空比,直到换相后电流与换相前一致来实现换相时的转矩稳定。


我们是小公司,没有你们那种财大气粗的专业态度,你说的我都想做,高速运放,16bit ADC,1000线编码器,霍尔电流传感器,参数自整定……但是无奈必须和现实妥协。


就像销量最高的电动自行车,肯定不会用“大品牌的控制器”一样。
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novakon作者
9年4个月前 IP:江西
787425
引用 沉默羔羊:
你做的这个输出功率是多少啊?三相PCB输出线是不是长了点又小了点?而且还没开窗加锡还是单面。过个7A8A以上就得发烫了吧?
按照36V 350W来算,就是10A,每条线的平均电流是6.67A,线宽是2mm,温升三十度左右。
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novakon作者
9年4个月前 IP:江西
787430
引用 沉默羔羊:
我觉得也是,场管放在板上限制太大,功率提不高,大电流发热散不出去,板子容易烤坏。占的地方也大,又不是铝基板或陶瓷板。实际上,市面上的成品或许在功能上不能满足楼主,但制作工艺、电路成本上还是很成熟的。最多不过是元件成本原因换成不经用的国产便宜...
QQ截图20150825164739.jpg QQ截图20150825164920.jpg


假设我希望MOS结温是100度,环境为25度,则选取亮蓝色线(Tj - Ta = 75℃)。图中可以看到大概是1.8W的耗散。


下面是75nf75的pdf:
QQ截图20150825165445.jpg



标称Rds为10毫欧,在100度时大概是15毫欧。


15毫欧在10A连续电流下,将耗散1.5W,小于1.8W,加上管子不是连续导通的,可以认为10A工作时结温不会超过100度。
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novakon作者
9年3个月前 IP:江西
790087
引用 wjd_213:
很想知道电动车的控制器和航模无刷电调的本质区别在哪?
一个是低压大电流,一个是高压小电流
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