datasheet

成本经济的低噪声有刷直流电机控制解决方案

2008-04-14来源: 电子产品世界 关键字:BDC  定子绕组  换向器  PWM  解决方案  位分辨率  激励源  恒压源  捕获模式

  有刷直流(BDC)电机广泛被用于多种应用中,包括许多小型设备和小家电。传统上,小型设备/家电市场采用模拟控制方法来驱动BDC电机。低成本单片机解决方案为BDC电机控制带来方法的重大革新。BDC电机结合带有智能的单片机即增强了此类小型设备的功能,同时又提高了能源效率。

  本文描述了BDC电机的基本工作原理和应用。此外,本文还给出了采用单片机的一种低成本实用BDC电机控制方案。在BDC电机中采用高效的单片机设计可以获得运行噪声小、速度和扭矩控制精度高的低成本解决方案。

  有刷直流(BDC)电机的工作原理

  图1示出的是BDC电机的基本构造。图中画出的组件包括定子、转子、电刷和换向器。定子和转子磁场相互作用驱动电机旋转。有刷直流电机的类型根据电机定子或外壳中磁场的产生方式来划分。根据有刷直流电机的类型,定子磁场可以由永磁铁或定子中的绕组产生。对于后一种情况,定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或混合方式连接。这三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机。

  

  

  定子产生静止磁场。这一静止磁场围绕在电枢(或称转子)的周围。外加电源激发出电枢磁场。BDC电机轴上还有两个圆弧形的铜片,称为换向片。电机转动时,碳质的电刷在换向器上滑动。这样就可以产生一个与定子的静止磁场相吸引的旋转磁场。电枢和定子绕组中的电流由电池或其它直流电源供给(永磁BDC电机没有定子绕组)。电池(或直流电源)提供恒定的直流电压。电压幅度决定了电机的转速,因此是电池或直流电源是一个线性激励源。改变BDC电机速度的最有效方式是采用脉宽调制(PWM)技术。PWM技术是以固定的频率开关恒压源。改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。脉冲高低电平间的比例称为PWM信号的占空比。直流电池电平的幅度等于PWM信号的平均幅度。

  应用实例:单片机/电机控制实例

  单片机设计中带有内建的外设,因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。PIC16F684是一款14引脚单片机,对于低成本双向BDC电机控制非常理想。之所以选择PIC16F684 做为例子,是因为这款单片机带有内建的外设,只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。这款单片机的两大特点对于BDC电机控制非常有用。首先,片上内建有增强捕获/比较/PWM(ECCP)模块,当配置为全桥模式时,可以提供直接驱动H桥电路所需要的PWM信号。H桥电路可以为电机提供双向电流驱动。PIC16F684第二个非常适合电机控制器的特点是可以产生频率高达31.2 kHz的8位PWM信号。对于电机控制应用来说,这一点很重要,因为低于20 kHz的频率会导致电机产生人听觉范围内的噪声。不需要增加任何外部时钟源,PIC16F684 就可以提供高于听觉频率的8位分辨率。为了获得高出听觉频率范围的频率,此前的单片机需要在运行时降低PWM的分辨率。与其它具备ECCP的单片机相比,PIC16F684体积小且成本效率高。利用片上ECCP模块做为PWM硬件发生器,而不是采用过去的软件解决方案,宝贵的单片机处理器资源可以用于完成其它任务。

  此类应用中使用的片上外设除ECCP模块外,还有一个内部10位模数转换器(ADC)。ECCP有捕获模式(可捕获定时器寄存器的16位值)、几个比较器和4个PWM。在无传感器的BDC电机控制应用中,4个PWM通道是一个重要优势。如图2所示,配合外部桥和4个FET驱动器件,单片机的PWM模块可以容易地实现双向电机控制。

  

  

  图2中的低成本BDC电机控制系统在全桥PWM模式下使用ECCP。用户可容易地配置PWM占空比,并实时改变单片机内部振荡器。此外,利用单片机片上的一个10位ADC来测量反向电动势(EMF),PIC16F684可以容易地跟踪电机的转速(RPM)。

  本应用中的硬件有三个主要部分。一个电源级、一个通信模块(RS-232)和一个RPM及电流测量级。电源级包括提供BDC电机双向控制的全H桥。PIC16F684通过RC2、RC3、RC4和RC5引脚连接到H桥。从RA5引脚通过一个RS-232端口可以将有关PWM占空比、单片机振荡器速率、电机RPM和电流值等指令和信息发送给计算机。虽然实际生产出来的设备很可能并没有这样一个通信接口,但在开发阶段这样一个通信接口非常有用。在实际产品中,RA5可以被赋予不同的用途,如点亮状态指示LED或者读取电位计输入。

  通过测量电机的反向EMF电压,不需额外传感器即可以获得电机转速(RPM)。电机转速与反向EMF电压直接成正比。BDC电机是一种感性负载。电机上感生的电压等于电机电感乘以dI/dt 。将对应FET关断(OFF)即可以测量反向EMF电压。这会产生一个反方向流过电机的电流。PIC16F684中的ADC模块可以测量出EMF电压。

  通过测量MOSFETs、QB 和 QD, 以及地之间电流检测电阻上的高端电压可以获得电流值。 选择适当的电阻值时需要考虑最大电流和功耗。PWM信号驱动BDC电机。H桥电路仅在PWM信号处于高电平时才吸收电流。采用一个采样和平均算法在多个PWM周期测量结果的基础上算出电流值和电机转速。

  对低成本高能效BDC电机解决方案感兴趣的Microchip公司主要客户对于PIC16F684外设的定义做出很大贡献。目前,Microchip正与几大设备生产商合作,他们迫切希望将现有BDC电机控制电路更换为更为智能和先进的单片机解决方案。

关键字:BDC  定子绕组  换向器  PWM  解决方案  位分辨率  激励源  恒压源  捕获模式

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0414/article_771.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:用HT46X23设计微波炉控制器实例分析
下一篇:基于GAL器件的步进电机控制器的研究与设计

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

成本经济的低噪声有刷直流电机控制解决方案

,因此是电池或直流电源是一个线性激励源。改变BDC电机速度的最有效方式是采用脉宽调制(PWM)技术。PWM技术是以固定的频率开关恒压源。改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。脉冲高低电平间的比例称为PWM信号的占空比。直流电池电平的幅度等于PWM信号的平均幅度。   应用实例:单片机/电机控制实例   单片机设计中带有内建的外设,因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。PIC16F684是一款14引脚单片机,对于低成本双向BDC电机控制非常理想。之所以选择PIC16F684 做为例子,是因为这款单片机带有内建的外设,只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。这款
发表于 2008-04-14

一种新型抗短路发电机的设计方案

,从而给数控系统带来毁灭性的灾难,严重影响发动机系统的可靠性。本文从转子结构、定子绕组形式等方面给出了一种新型抗短路发电机的设计方案,通过Ansoft仿真分析和对比研制产品的实测结果,表明设计方案可行,研制的发电机抗短路特性好、耐高温、耐宽转速,具备真正的冗余能力。2.抗短路发电机的设计2.1系统对发电机的要求发动机数控系统要求发电机耐宽转速范围2000r/min~25000r/min,全转速范围内稳压为28.5V±0.5VDC,耐160℃高温运行工作环境(短时180℃),耐长时间短路工况,全转速范围内极限功率需求不低于250W,3000r/min~25000r/min转速范围内极限功率需求不低于280W,45%转速时任缺一相工况不影响另一
发表于 2013-11-17
一种新型抗短路发电机的设计方案

定子绕组通入直流电流的方式

  1)定子三相绕组中通人直流电流,如图1所示,这时六个IGBT中只应有三个处于工作状态,且三个应位于不同桥臂不同侧,即不能均为上管或下管,其余三个一直处于关断状态。触发信号的占空比可以根据调制度进行调节。   2)定子两相绕组中通入直流电流,如图2所示,这时只有两个位于不同桥臂不同侧的IGBT处于工作状态,其余都处于关断状态。   不论上述何种电路都存在当定子绕组中通入直流电流的方向与定子原来的电流方向相反,导致发生较大的di/dt的问题,这时可能产生冲击电流,出现过电流保护跳闸现象,解决方法是记下通入前的电压相位,通过软件方法,使通人电流前、后的电流方向一致,这是必须的。
发表于 2012-10-15
定子绕组通入直流电流的方式

旋转变压器信号处理的低成本、高分辨率方案

  旋转变压器(resover)包含三个绕组,即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随马达旋转,定子绕组位置固定且两个定子互为90度角(如图1所示)。这样,绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。   图1:旋转变压器及其相关信号   将施加在转子绕组上的正弦载波耦合至定子绕组,对定子绕组输出进行与转子绕组角度相关的幅度调制。由于安装位置的原因,两个定子绕组的调制输出信号的相位差为90度。   通过解调两个信号可以获得马达的角度位置信息,首先要接收纯正弦波及余弦波,然后将其相除得到该角度的正切值,最终通过“反正切”函数求出角度值。由于一般情况下要使用DSP进行算术处理,因而需要将正弦及余弦波数字化。目前市面上有几种具备
发表于 2011-10-04
旋转变压器信号处理的低成本、高分辨率方案

直流电机换向器的工作原理

  换向器的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势,靠换向器配合电刷的换向作用,使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。    电刷上不加直流电压,用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动,线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线,而在其中感应产生电动势,电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转,,因此,必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线,虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的.线圈内的感应电动势是一种交变电动势,而在电刷A,B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些,是一种方向不变的脉振电动势)。因为,电枢在转动过程中,无论电枢
发表于 2016-10-27

节能型交流驱动系统在电动车中的应用(图)

倍数较大、控制电路相对简单、成本较低等优点,但它的缺点同样不可忽视。有刷直流电机由于存在着机械换向部件电刷或换向器,很容易导致火花,噪声和震动严重,电磁干扰问题突出,而且电刷或换向器的维护比较困难,使用寿命较短,此外,电机的体积十分庞大,造成有限空间的浪费;无刷直流电机虽然克服了有刷电机的一些缺陷,但它的转子位置检测困难,整机价格颇高,性价比相对较低。再从系统效率角度来看,由于绝大多数系统采用单向功率传递,使得车辆在刹车减速或下坡滑行时白白地浪费了大量能量。此外,电刷、换向器等的机械震动、摩擦,也造成了系统效率的降低。因此,本文针对以上问题,结合电驱动系统的基本要求,提出一种新型的ZCZVS升压DC-DC双向变换器与变频器相结合
发表于 2008-09-11
节能型交流驱动系统在电动车中的应用(图)

小广播

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved