shiyongzhu创意进度帖 无感无刷直流电机电调设计

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先发个贴，占个位置！请问管理员此贴是否满足要求？

shiyongzhu

第一周提交内容

直流无感无刷电机控制方法

做四轴飞行器电调一份重要的参考资料timegate墨鸢所写的《无感无刷直流电机之电调设计全攻略》，本文主要参考该文献。目前，国内外对无刷直流电机（Brushless DC motor，BLDCM）定义一般有两种：一种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）；另一种定义则认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。在此本帖采用第一种定义。

直流无刷电机根据转子结构可分为内转子和外转子两种结构。下图是一个三相九绕组六极内转子电机和三相六绕组外转子电机。

直流无刷电机绕组通电后，线圈内产生电流，在永磁体的磁场下产生洛伦兹力，产生力矩，从而推动转子转动。为了产生持续的力矩，线圈内的电流需要根据转子所处的位置改变方向，这也就是所产说的换相。有刷电机的换相通过电刷完成，而无刷电机的换相则是通过电子器件控制电流的通断来完成。

无刷直流电机的换相与转子的位置有关，为了产生同一个方向持续的电磁力矩，需要根据位置的不同控制每相电流通断。根据换相位置的检测方式又可以分为无感和有感。有感指的是采用霍尔传感器检测转子位置，控制换相。而无感指的是直接利用电机的线圈绕组来控制换相。这也正是本次电调设计的主要方式。

本次电调设计主要控制框图如下图所示，零位检测电路检测能够检测出无刷电机转子的切换位置，控制器根据转子位置，控制驱动电路进行每相通断切换，从而实现对电机的控制。

[ 本帖最后由 shiyongzhu 于 2013-9-23 22:15 编辑 ]

eric_wang

  发上来看看呗

苏莎莎

嘿嘿，你创新了，本来我们是按照“XX创意进度帖+此次进度主题”这个形式为标题发帖的，不过你这样我能看明白，没关系了，期待你下一周的进度，还在此贴中跟帖发进度哈

shiyongzhu

无感无刷直流电机电调驱动板设计
首先很抱歉，前阵子比较忙，没有及时更新进度，对此深感抱歉。现补上驱动板设计一部分的工作。
驱动板的原理图分成五块，分别是过零检测、电流检测、外部接口、电源输入、控制输出。以下简单的介绍每一块的功能。
过零检测：利用接地导线流过电流时产生电压的原理，检测电压实现电机的工作电流测定。

过零检测：使用LM339比较器，比较每相与中间点的电压差，从而产生上升沿或下降沿信号，供换相控制使用。



外部接口：外部输入12V、5V电压、输出控制、过零脉冲通过此接口与外部连接。

电源输入：外部提供5V、12V电压，5V用于LM339集电极上拉，12V用于控制。

输出控制：最核心的部分，此部分完成换相工作。

根据原理图绘制出如下的PCB板：


最后附上本人的设计文档，请大家批评指正。
BLCtrl DIY.rar (13.12 MB, 下载次数: 744)

2013-11-4 00:55 上传

点击文件名下载附件

[ 本帖最后由 shiyongzhu 于 2013-11-4 00:55 编辑 ]

shiyongzhu

无感无刷直流电机电调驱动板调试
本设计的电调驱动板比较简单，打板回来后很快完成了电装工作，空板如下图所示。

购置的无感无刷电机、锂电池与电调驱动板、RL78G14进行连接，如下图所示，无感无刷电机的固定是问题，本人利用烙铁架将其夹住，效果很好。


本人现已完成电机的启动，启动视频已上传到优酷，待审核后贴出地址。
下一步就是使电机持续的旋转起来了。

[ 本帖最后由 shiyongzhu 于 2013-12-8 23:17 编辑 ]

tuzihog

关注中

shiyongzhu

电机的启动视频：


[ 本帖最后由 shiyongzhu 于 2013-12-16 22:31 编辑 ]

shiyongzhu

整个调试连接如下图所示：

驱动板至RL78G14评估板的连接接口：

A+、B+、C+为六臂全桥驱动电路的上臂导通控制接口，高电平时导通，低电平时截止；

A-、B-、C-为六臂全桥驱动电路的下臂导通控制接口，高电平时导通，低电平时截止；

INT A、INT B、INT C为各相感应反电势与中点电压比较；

Current为电流检测电路输出的电压；

接口分配

A+、B+、C+需要接入PWM信号，在此利用RL78G14中的RD1定时器产生三路PWM信号，引脚对应CN2上P10、P11、P12；

A-、B-、C-只要输出低电平、高电平即可，在此利用CN2的P55、P54、P53即可；

INT A、INT B、INT C接入RL78G14中的中断，并要求能够上升沿和下降沿都可以检测该中断，RL78G14的外部可屏蔽中断能够满足使用需求，在此利用CN2的P51、P50、P16检测中断；

Current利用ADC的通道0检测，对应CN2的AVrefp。

驱动板至电机B、C三相分别接上电机即可；
实物图如下：

电机运行视频：


[ 本帖最后由 shiyongzhu 于 2013-12-16 22:30 编辑 ]

shiyongzhu

上位机电调测试软件设计（将未尽工作做完）

为了方便测试自制电调的性能，本人设计了用于测试电调的MFC程序。该程序能够实时接收和显示电调的状态，当电调采用串口控制时，该软件可以实时控制电调。程序的界面如下图所示：

（1）通信协议和报文

本软件通过串口与电调进行通信，波特率默认为38400，数据位为8位，停止位为1，无奇偶校验位，电调发送之上位机报文速率为100ms一帧，上位机发送至电调的报文速率也为100ms一帧。

每帧报文包含30个字节，每个字节对应的内容如下：

首字节为标示符‘#’；

次字节为电调地址0、1、2.。。。；

下一字节为cmd；（当需要重启电调时，该指令为‘R’）

中间为数据区（进行了编码处理，内容将下文）

末字节为结束符‘\r’；

         数据区之所以进行编码是由于为了能够识别出报文起始和结束符，在报文的中间必须不能够出现与之相同的字符。以下列出使用到的几个关键ASCII码

#  —  35    0x23

\r —  13    0x0D

从上述的ASCII码值，要是的数据区的每个字节值必须>35或者<13但是>电调地址再或者<35但大于>13，很明显大于35的数据范围比较广，所以将数据编码到大于35的ASCII码的值比较方便。MK电调采用此种方法，将原来的数据由三个字节扩充为四个字节，并将各个字节加上‘=’（0x3D），从而使得扩充后的字节均大于大于‘#’。编码后的数据区数据将全部大于’#’、‘\r’,从而从接收得到的报文中可以检测出报文头和尾。

编码主要程序如下：

SendeBuffer[pt++] = '#';               // Startzeichen

SendeBuffer[pt++] = modul;             // Adresse (a=0; b=1,...)

SendeBuffer[pt++] = cmd;                    // Commando

while(len)

  {

   if(len) { a = snd[ptr++]; len--;} else a =0;

   if(len) { b = snd[ptr++]; len--;} else b =0;

   if(len) { c = snd[ptr++]; len--;} else c =0;

   SendeBuffer[pt++] = '=' + (a >> 2);

   SendeBuffer[pt++] = '=' + (((a & 0x03)<< 4) | ((b & 0xf0) >> 4));

   SendeBuffer[pt++] = '=' + (((b & 0x0f)<< 2) | ((c & 0xc0) >> 6));

   SendeBuffer[pt++] = '=' + ( c & 0x3f);

  }

AddCRC(pt);

}

对应的解码程序如下：

while(len)

  {

   a = RxdBuffer[ptrIn++] - '=';

   b =RxdBuffer[ptrIn++] - '=';

   c = RxdBuffer[ptrIn++] - '=';

   d = RxdBuffer[ptrIn++] - '=';

   if(ptrIn > max - 2) break;     // nicht mehr Daten verarbeiten, alsempfangen wurden

   x = (a << 2) | (b >> 4);

   y = ((b & 0x0f) << 4) | (c>> 2);

   z = ((c & 0x03) << 6) | d;

   if(len--) ptrOut[ptr++] = x; else break;

   if(len--) ptrOut[ptr++] = y; else break;

   if(len--) ptrOut[ptr++] = z;        else break;

  }

         上述报文数据区的内容为以下结构体：

struct str_Debug

{

unsigned char Digital[2];           // 8位

unsigned short int Analog[8];    // 16位

};

电调至上位机：

Digital[0]  —————— 自检结果， 0-正常 非0-故障代码

Digital[1]  —————— 命令来源与电调状态 [1:0] – 00 串口 –01 I2C  -- 10 PPM [2]  0-停止 1-运行

Analog[0]—— 电流

Analog[1]—— 电压

Analog[2]—— 占空比

Analog[3]—— 速度

上位机至电调（仅当控制指令来自串口时可以使用）：

Digital[0]  —————— 急停

Digital[1]  ——————占空比

Analog 保留

         注：此处与MK电调有所区别，在MK电调中定义如下变量

unsigned charMotorTest[4] = {0,0,0,0};

         MotorTest每个字节分别对应0、1、2、3地址电调的占空比。

         上位机发送的数据仅为每个电调地址对应的占空比而已，上位机至电调数据量较小，减小中的发生率，有利于换相，在后期的电调制作中，将对此予以优化。

（2）报文接收与发送

电调报文接收主要采用中断完成，每接收到一个字节即产生一个中断，这样很容易识别开始和结束的标示字节，完成一帧完整报文的接收。

相对于电调来说上位机软件采用MFC编制，采用专用的串口控件MSComm。MFC程序根据串口接收事件进入接收子程序，但是接收得到的内容不再只是一个字节还可能是多个字节，为此将接收到的报文存于recvbuffer[100]中，该缓存器能够循环存储。然后检测刚接收到的报文中是否含有结束符，若有再将报文摘出存储于recvdata[30]，对recvdata[30]中数据进行解码，从而得到电调发送的数据。

电调发送报文比较简单，将需发送字节放入发送寄存器，不停检测发送完成标志，当发送结束，再将下个字节放入发送寄存器。

上位机发送功能比较简单，直接将要发送的数据，定时存入发送缓存器中即可。

以上介绍本人编制的MFC电调程序，如需进一步了解这个程序，还需要对源程序进行分析。

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