硬件上如何检测无刷电机的反电动势

1万 · 2025-1-24 18:15

看到无感直流无刷电机很简单，但是不知道那个反电动势检测电路的实现原理，看了很多家的，发现参数都不太一样，不知道这个其中的关键点是什么。
那个运放采用什么拓扑结构，放大倍数如何确定？

只看该作者 · 2025-1-24 18:17

无感直流无刷电机的反电动势检测电路虽然原理简单，但实现起来需要根据具体电机参数和应用场景优化设计。主要的关键点在于如何准确、可靠地提取反电动势信号，并将其用于控制器的换相信号和速度计算中。下面从实现原理、关键点和运算放大器的设计三个方面进行详细分析：

1. 反电动势检测电路的实现原理

反电动势检测电路的基本原理是监测未导通相（也称为空闲相）上的电压，因为空闲相在无驱动时直接反映了电机的反电动势信号。
信号来源：三相无刷电机的绕组中只有两相通电，第三相悬空。在悬空相中，电压信号中含有反电动势，且其幅值和相位与转子的速度和位置直接相关。
信号处理：直接采集空闲相电压会包含驱动电压和噪声，需要通过硬件电路（如差分放大、滤波）提取纯净的反电动势信号。
零交点检测：反电动势的零交点对应于换相的最佳时机。通过检测零交点位置，可以确定换相信号。

2. 检测电路设计的关键点
(1) 信号提取
电压基准调整：反电动势信号通常是相对于电源地的电压（高共模电压），需要通过差分测量或移相电路将其转换到适合运放处理的范围。
共模噪声抑制：由于驱动电路会引入高频开关噪声（例如 PWM 信号），检测电路需要具备高共模抑制比（CMRR）的特性。
电平匹配：反电动势的幅值与转速成正比，低速时信号非常微弱，需要适当放大处理。
(2) 放大倍数的确定
放大倍数的设计应综合考虑以下因素：

电机参数：包括反电动势常数（Ke），它决定了单位转速下反电动势的幅值。例如，Ke 为 1 V/krpm 的电机，在 1000 rpm 时反电动势峰值为 1 V。
ADC 输入范围：电路输出必须匹配微控制器的 ADC 输入范围（如 03.3V 或 05V）。
速度范围：需要确保放大后的信号在最低转速时能够被检测到，同时最高转速时不会超出 ADC 的动态范围。
放大倍数G的计算公式为：

(3) 信号滤波
低通滤波器用于抑制高频噪声（如开关噪声）。
滤波器的截止频率应大于电机的最高电气频率（一般电气频率fe为机械转速与极对数的乘积）。

只看该作者 · 2025-1-24 18:19

3. 运算放大器的拓扑结构
反电动势检测电路中的运放设计通常采用以下拓扑：

(1) 差分放大器
拓扑特点：通过采集两个输入信号的差值，消除共模噪声。
优点：抑制共模干扰（如 PWM 噪声）、适用于悬浮信号检测。
设计参数：
电阻匹配：差分放大器的电阻网络必须高精度匹配（误差 < 1%），以确保共模抑制比足够高。
放大倍数：

，通过调节反馈电阻Rf 和输入电阻Rin 控制。

只看该作者 · 2025-1-24 18:20

(2) 积分放大器
拓扑特点：对输入信号进行积分，平滑反电动势的瞬态变化。
适用场景：用于低速电机或信号较弱的情况下，抑制高频噪声。
(3) 单端放大器
拓扑特点：将单端输入信号放大到合适范围。
优点：电路简单，适用于噪声干扰较少的场合。
缺点：对共模信号的抑制能力较差。

只看该作者 · 2025-1-24 18:20

4. 实际应用建议
运放选择：运算放大器应具备以下特性：

高输入阻抗，低输入偏置电流（减少对信号源的影响）。
高共模抑制比（CMRR）和低噪声。
带宽大于电机的最高电气频率（一般至少 100 kHz）。
典型器件：如 TLV2372、OPA227、LM324 等，具体选择需根据电源电压和成本需求权衡。

动态范围设计：

考虑电机的最低和最高转速，确保反电动势信号始终在有效测量范围内。
对于低速信号，可以采用增益可调放大器，动态调整放大倍数。
信号校准：

在初始调试时，需要对反电动势信号进行校准，确保输出信号幅值和换相时机准确。
可以通过示波器观察反电动势波形与换相信号的同步性。

硬件上如何检测无刷电机的反电动势

核心会员奖章

坚毅之洋流

十世金身

技术导师奖章