常见三相直流无刷电机控制硬件框图分为下图模块。
1:电源管理模块
为控制电路和功率电路提供稳定的电源,可能包括降压或升压转换器,以及线性调整器等。
2:栅极驱动器+功率器件
栅极驱动器+功率器件直接驱动电机的绕组,需要能够承受高电流和高电压,并且能够高效地切换以减少热损耗。
通常使用MOSFET或IGBT作为开关元件。在选择时要考虑其最大承载电流、开关速度、以及导通和关断损耗等因素。
3:电流检测模块
用于实时监测电机的相电流,这对于实现闭环控制以及保护电机免受过电流损害至关重要。
可以使用霍尔效应传感器、运放+电阻采样(通过测量电阻两端的电压)等方法来实现。需要具有高精度和快速响应时间。
4:位置、速度检测模块
用于检测电机轴的位置和速度,这对于实现精确控制非常重要。常见的传感器有霍尔传感器、光电编码器和磁编码器等。
选择时要考虑其分辨率、响应速度和信号输出类型等。
5:保护单元
包括过电流保护、过热保护、欠压锁定等,用于保护电机和控制电路免受损害。
特点:快速响应,可靠性高
6:MCU
无刷直流电机(BLDC)控制系统的核心,负责执行电机控制算法、处理传感器信号、生成PWM信号驱动功率电子开关等关键任务。
MCU的具体需求因应用而异,但通常包括以下几个方面:
需求:足够的CPU速度来快速处理控制算法,包括PID控制、空间矢量调制、场向量控制等复杂算法。
细节:对于高性能应用,可能需要MCU的主频在数十MHz到几百MHz之间。
需求:足够的RAM和Flash存储来存储程序代码和运行时数据。
细节:RAM需求取决于运行时变量和数据缓冲区的大小,而Flash主要用于存储程序代码。对于复杂的应用,可能需要数十到数百KB的Flash和RAM。
需求:能够生成高频率、高分辨率的PWM信号来精确控制电机的速度和扭照。
细节:PWM分辨率至少需要8位,更高精度的应用可能需要16位或以上。PWM频率通常在几十kHz范围,以减小电机的扭矩波动和噪音。
需求:用于读取电流、电压等模拟信号,以实现闭环控制。
细节:需要具有高速、高精度的模/数转换器(ADC),分辨率至少为10位,更高精度的应用可能需要12位或以上。采样速率应与控制算法的执行速率相匹配。
需求:用于读取数字传感器信号或控制外部设备如继电器、指示灯等。
细节:需要有足够数量的数字I/O端口,且部分可能需要支持外部中断功能。
需求:MCU需要低功耗模式以适应电池供电的应用,同时也需要稳定的电源管理来保证系统稳定运行。
细节:低功耗模式包括睡眠、待机等状态,以及快速唤醒功能。
需求:包括看门狗定时器、故障保护(如过电流、过热保护)等,以确保系统在异常情况下能够安全运行或安全停机。
细节:这些功能有助于防止系统因软件错误或硬件故障而导致的不可预测行为。
在选择MCU时,还需要考虑其与应用的兼容性、成本、可用的软件支持、以及未来的扩展性等因素。
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