大比特商务网 |资讯中心 |技术论坛 |解决方案 登录 注册 |电子刊 |招聘/求职
您的位置:微电机世界网 >>技术与应用 >>新闻

如何使用低成本单片机驱动单绕组单相无刷直流电机

2016-03-07 15:36:01     来源:Microchip Technology Inc.        

【大比特导读】对于低功耗电机应用,成本比复杂性更为重要,并且对转矩的要求较低,因此单相无刷直流(BLDC)电机是三相电机不错的替代方案。

对于低功耗电机应用,成本比复杂性更为重要,并且对转矩的要求较低,因此单相无刷直流(BLDC)电机是三相电机不错的替代方案。

此类电机结构简单,易于制造,因此成本较低。此外,它只需要使用单位置传感器和一些驱动器开关即可控制电机绕组并为其供电。因此,可以轻松地在电机和控制用电子元器件之间做出权衡。为保持成本效益,需要使用低成本的电机驱动器。

本文介绍的驱动器电路会利用两个反馈回路。一个是内层回路,负责控制换向;另一个是外层回路,负责控制转速。电机转速以外部模拟电压作为参考,而且会检测出过流和过温故障。

图1显示了基于Microchip的8位单片机PIC16F1613的单相驱动器。选择这款单片机是因为其引脚数较少,并且片上外设可以控制驱动器开关、测量电机转速、预测转子位置以及实现故障检测。本应用使用以下外设:互补波形发生器(CWG)、信号测量定时器(SMT)、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、捕捉/比较/脉宽调制(CCP)、固定参考电压(FVR)、定时器、比较器和温度指示器。上述外设通过固件在内部进行连接,因此可减少所需的外部引脚数。

图1:单相BLDC驱动器框图

全桥电路为电机绕组供电,且由CWG输出进行控制。霍尔传感器用于确定转子位置。流过电机绕组的电流通过检测电阻Rshunt转换为电压,从而实现过流保护。转速以外部模拟输入作为参考。图2显示了电机驱动器控制框图;对于本应用,电机额定电压为25V,额定转速为2400转/分钟。电机驱动器电源电压为9V。参考转速可以是任一模拟输入。单片机的ADC模块具有10位分辨率以及最多8个通道,因此适用于各类模拟输入。ADC模块用于提供参考转速和初始PWM占空比,从而根据参考转速源对电机转速进行初始化。

图2:电机驱动器控制框图

初始占空比可根据比例积分(PI)控制器的结果以及CCP中加载的新占空比值进行增减,相应的PWM输出用作CWG的初始源以控制全桥驱动器下桥臂开关的调制,从而控制电机转速。

内层回路

内层反馈回路负责控制换向。CWG输出用于控制定子绕组的激励,它取决于霍尔传感器输出的状态(霍尔传感器输出将通过比较器与FVR进行比较)。将使能比较器迟滞,以屏蔽传感器输出中的噪声。比较器输出可在正向全桥模式与反向全桥模式之间切换,从而使电机实现顺时针或逆时针旋转。CWG输出将馈入全桥电路的开关的输入。要生成一个电气周期,必须执行一次正反向组合。电机机械旋转一周需要两个电气周期,因此必须执行两次正反向组合电机才能完成一次顺时针旋转。

全桥电路

图3所示的全桥电路主要由两个P沟道MOSFET(用作上桥臂开关)和两个N沟道MOSFET(用作下桥臂开关)组成。P沟道晶体管的主要优势在于可以在上桥臂开关位置轻松实现栅极驱动,从而降低上桥臂栅极驱动电路的成本。虽然上桥臂开关和下桥臂开关可同时开关(跨导),但应避免这种开关操作,否则将产生直通电流,导致驱动器元件损坏。为避免这种操作,可使用CWG的计数器寄存器来实现死区延时。这样可避免输出信号发生重叠,继而防止上桥臂和下桥臂同时导通。理想情况下,N沟道MOSFET和P沟道MOSFET应具有相同的导通电阻(RDSon)和总栅极电荷QG,以便获得最佳的开关特性。因此,最好选择一对互补的MOSFET来匹配上述参数。但实际上,由于互补MOSFET的结构不同,无法达到此要求;P沟道器件的芯片尺寸必须是N沟道器件的2到3倍才能匹配RDSon性能。但是,芯片尺寸越大,QG的影响也越大。因此,选择MOSFET时,务必先确定RDSon和QG二者中哪个对开关性能的影响更大,然后再相应地进行选择。

故障检测

若转矩负载超出允许的电机转矩负载最大值,可能会导致电机停转,从而使全部电流流过绕组。因此,为保护电机,必须实现过流和停转故障检测。要实现过流检测,可在驱动电路中添加Rshunt,该电阻会根据流过电机绕组的电流提供相应的电压。电阻两端的压降随电机电流线性变化。该电压将馈入比较器的反相输入并与参考电压进行比较,参考电压基于Rshunt电阻与允许的电机停转电流最大值之积。参考电压可由FVR提供,并可通过DAC进一步缩小。这样便可以使用非常小的参考电压,从而将电阻保持在较低水平,进而降低Rshunt的功耗。如果Rshunt电压超出参考电压,比较器输出会触发CWG的自动关断功能,并且只要故障存在,CWG的输出便会保持无效状态。过温故障可通过器件的片上温度指示器进行检测,温度指示器的测量范围为-40˚C至+85˚C。指示器的内部电路会随着温度的不同而产生不同的电压,然后通过ADC将此电压转换为数字量。为提高温度指示器的精确度,可实施单点校准。

图3:单相BLDC电机驱动器原理图

外层回路

图2中所示的外层回路用于控制电机在不同条件下的转速,例如负载需求、干扰和温度漂移变化等。转速由SMT测量。SMT是一款具有时钟和门控逻辑的24位计数定时器,经配置可用于测量多种数字信号参数,如脉冲宽度、频率、占空比以及两输入信号边沿之间的时间差。可通过SMT的周期和占空比采集模式测量电机的输出频率。在此模式下,SMT信号的占空比或周期都可基于SMT时钟进行采集。SMT会计算单个电机旋转周期内的SMT时钟数,然后将结果存储于捕捉周期寄存器中。使用该寄存器可获得电机的实际频率。将实际转速与参考转速进行比较时,如果实际转速高于设定的参考转速,则产生正误差;如果实际转速低于设定的参考转速,则产生负误差。此误差会馈入PI控制器。PI控制器是一种固件算法,用于计算转速偏差的补偿值。在初始PWM占空比的基础上加减此补偿值可得到新的占空比值。

结论

在成本敏感型电机控制应用中,高效而灵活的单片机可大显身手。器件效率可针对外设集成度进行测量,从而优化控制任务、引脚和存储器数量以及封装尺寸。此外,如果需要不同的设计,易用性和上市时间也会显得尤为重要。本文介绍了低成本单片机如何满足上述需求,以及如何通过驱动器设置所需的参考转速、预测转子位置、实现控制算法、测量电机实际转速以及执行故障检测。

声明:转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请与我

们联系,我们将及时更正、删除,谢谢。

  • 赞一个(
    0
    )
  • 踩一下(
    0
    )
分享到:
阅读延展
电机控制 直流电机 单片机 电机驱动器
  • 骏龙科技最新交流伺服电机系统方案实现更高电机控制效率和更好性能

    骏龙科技最新交流伺服电机系统方案实现更高电机控制效率和更好性能

    骏龙科技最新发布的交流伺服电机控制系统方案,采用先进的MCU+FPGA系统架构,实现更高的电机控制效率和更好的性能。

  • 高效低成本的电机控制方案,是怎样的?

    高效低成本的电机控制方案,是怎样的?

    为了保证系统输出满足以及保障运转稳定性是关键因素,因此为了更直观地让电机行业人士认识改善电机性能与行业趋势、发展潜力,大比特将在深圳举办“第15届(深圳)电机驱动与控制技术研讨会”以帮助企业提升竞争力,了解行业最新动态。

  • 骏龙科技最新交流伺服电机控制系统方案 实现更高电机控制效率和更好性能

    骏龙科技最新交流伺服电机控制系统方案 实现更高电机控制效率和更好性能

    骏龙科技最新发布的交流伺服电机控制系统方案,采用先进的MCU+FPGA系统架构,实现更高的电机控制效率和更好的性能。

  • 伺服电机控制转速与干扰措施的学习总结

    伺服电机控制转速与干扰措施的学习总结

    在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。

  • 泰芯半导体将携多款新品精彩亮相IOTE 2020深圳国际物联网展

    泰芯半导体将携多款新品精彩亮相IOTE 2020深圳国际物联网展

    珠海泰芯半导体有限公司成立于2016年,是一家以集成电路设计、无线智能通信解决方案为一体的高新技术企业。我们先后推出了低功耗远距离物联网WIFI芯片、低功耗电机控制器芯片及产品方案。公司坚持以市场为导向、以技术为核心,为客户提供优质的芯片及产品技术方案。

  • 凌鸥推出新一代电机控制芯片及方案

    凌鸥推出新一代电机控制芯片及方案

    南京凌鸥创芯电子有限公司是一家专注于运动控制领域的集成电路设计与生产并提供总体解决方案的国家高新技术企业。公司以运动控制芯片为核心业务,同时致力于整合上下游产业链资源,目标市场主要为电动车辆、伺服控制、机器人、电动工具、家用电器等。

  • 直流电机存在频率吗?

    直流电机存在频率吗?

    有的人把无刷直流电机的自控变频调速系统称为“直流变频”,然而直流电根本是没有频率这一说法的,但是,这个“直流变频”却被广泛流传。这个所谓的直流变频就是这么来的。

  • 霍尔芯片在电机中的应用

    霍尔芯片在电机中的应用

    霍尔芯片是根据霍尔磁效应设计出来的能够检测磁场的专用集成电路。霍尔芯片在电机中应用广泛,主要应用有两个方向:1、无刷直流电机中相位检测;2、有刷电机中的电机速度、方向检测。

  • 直流电机:为何直流电机要用PID调速?

    直流电机:为何直流电机要用PID调速?

    所以说,直接输入转速用PWM精准控制是不现实的,PWM控制的是直流电机的电流,电流决定了直流电机的扭矩,也就是输出力,假设直流电机负载1公斤,转速3000转,那么负载2公斤还需要保持3000转的速度,电流就会增加了。

  • 车载用 S-57TZ S 系列霍尔IC 为无刷直流电机开发带来变革

    车载用 S-57TZ S 系列霍尔IC 为无刷直流电机开发带来变革

    在极性改变点(零交叉点)改变了输出信号,并使用全球首创* 针对无刷直流电机控制的检测方法。

  • 地摊经济,居然让微型直流电机生意火爆

    地摊经济,居然让微型直流电机生意火爆

    你以为是这样的?NO!在地摊产品中,各种电动玩具和小家电非常火爆,在这些电子产品都会有一个核心动力:直流电机,商贩的需求增多,也带动电子产品生产商的订单增加,核心动力直流电机厂家也是忙到飞起。

  • 什么是高转速微型直流电机?

    什么是高转速微型直流电机?

    高转速在家用空调、冰箱、航空航天、汽车船舶等产品应用广泛,小型的电子产品诸如电动牙刷、洁面仪、美容仪、电动玩具、按摩仪等等也会用到高转速的微型电机。

  • 嵌入式系统和它有啥不一样 一起来看看吧

    嵌入式系统和它有啥不一样 一起来看看吧

    本文首先介绍了嵌入式系统是啥,嵌入式系统的定义,其次介绍了单片机是啥,单片机跟嵌入式系统的区别,最后阐述了嵌入式系统与单片机在主次关系上的区别。

  • 嵌入式系统和它有啥不一样 一起来看看吧

    嵌入式系统和它有啥不一样 一起来看看吧

    本文首先介绍了嵌入式系统是啥,嵌入式系统的定义,其次介绍了单片机是啥,单片机跟嵌入式系统的区别,最后阐述了嵌入式系统与单片机在主次关系上的区别。

  • Microchip推出全新功能安全型AVR® DA系列单片机

    Microchip推出全新功能安全型AVR® DA系列单片机

    Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)今日宣布推出下一代AVR® DA系列单片机(MCU),是其首款带有外设触摸控制器(PTC)的功能安全型AVR MCU系列。

  • LED路灯节能控制系统的设计与应用

    LED路灯节能控制系统的设计与应用

    本文以高亮度LED为路灯核心器件,设计路灯监控系统,现场由从单片机采集路灯电流电压后经过主机与上位机进行GPRS数据传输,从而达到 “遥控、遥测、遥讯”的的目的。

  • 水表检定装置手动的好,还是全自动的好?

    水表检定装置手动的好,还是全自动的好?

    摄像式全自动水表检定装置是按照“JJG162-2009水表检定规程”要求,在Windows操作平台下,采用计算机和单片机技术相结合的方式,实现对水表检测自动化检定。安装水表后,只需在计算机上输入检定信息,就不再需人工干预,点击“开始检定”图标,装置自动依次完成公称、分界、最小流量的检定。

微信

第一时间获取电子制造行业新鲜资讯和深度商业分析,请在微信公众账号中搜索“大比特商务网”或者“big-bit”,或用手机扫描左方二维码,即可获得大比特每日精华内容推送和最优搜索体验,并参与活动!

发表评论

  • 最新评论
  • 广告
  • 广告
  • 广告
广告
Copyright Big-Bit © 1999-2013 All Right Reserved 大比特资讯公司 版权所有      未经本网站书面特别授权,请勿转载或建立影像,违者依法追究相关法律责任