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      [电机应用] BLDC应用硬件设计

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      本帖最后由 AutochipsMCU 于 2020-1-3 11:36 编辑

      BLDC控制器系统概述
      BLDC控制器通常有如下模组组成:
      1.电源部分;
      2.MCU;
      3.MOS管预驱;
      4.功率MOS管;
      5.反电动势检测电路(无感)或HALL检测电路(有感);
      6.电流采样及运算放大电路;
      电源部分设计细节电源滤波电容的选择
      • 大容量电解电容的选择:一般要求电容耐压应考虑在可能最大工作电压下留有20%的余量。
        应选择高频低内阻的电容,一般电容容量越大内阻越小,同等温升下能通过的纹波电流越大。但往往尺寸和价格会更大更高,所以需要综合考虑。

      • 一般大容量的电解电容需要配合小容量陶瓷贴片电容使用,这样会有更好的滤除高频噪音的效果,减少电容的纹波电流。

      3.电解电容的工作温度要求:
      一般采用-40~105℃的电容。对温度要求高的场合需要采用-40~125℃的电容。
      电容长时间工作在超出规定温度下工作会减少使用寿命,或造成鼓包或炸裂。在使用过程中应尽量远离发热源:如功率MOS管及功率电流采样电阻。
      电源部分设计细节
      • 一般外部电池输入电压可以达到几十V甚至上百V,而MOS预驱及MCU和运放电路一般为5V供电。所以一般需要BUCK电路进行降压给MOS预驱及5VLDO供电。

      • BUCK降压电路:

      • 要求纹波尽量小,且能提供稳定的输出电压给到MOS预驱电路或IC,在上电瞬间或电压波动是时不能出现高于MOS预驱电路或IC的安全工作电压范围,否则可能烧坏MOS预驱电路或IC。

      • LDO电路:BUCK电路电路供电到LDO直间最好串接个电阻(一般可为几十欧),这样可以减少BUCK降压电路开关噪音的影响,同时可以分担一部份LDO的功耗。

      MOS预驱设计细节预驱可提供瞬间短路电流的大小
      跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。 在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。
      一般地可以根据器件规格书(如下表)提供之如下几个参数作为初期驱动设计的计算假设:
      a) Qg(Total Gate Charge) :作为最小驱动电量要求。  
      b) 相应地可得到最小驱动电流要求为 IG ≈ Qg/(td(on)+tr) 。
      c) Pdrive=VG *Qg 作为最小驱动功率要求。
      d) 相应地,平均驱动损耗为 VG Qgfs
      但需要注意的是MOSFET是电压型驱动特性,其 IG 和 Pdriver 只发生于开关转换过程极短的时间内。
      预驱电荷泵外接电容选择
      普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大10V或10V以上。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

      MOS预驱动电路的好坏直接影响了电源的工作性能及可靠性。
      一个好的 MOSFET 预驱动电路的基本要求是:  
      • 开关管导通时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使栅源电压上升到需要值,保证开关管快速开通且不存在上升沿的高频震荡。  
      • 开关管导通期间驱动电路能保证 MOSFET 栅源间电压保持稳定使其可靠导通。

      • 关断瞬间驱动电路能提供一个低阻抗通路供 MOSFET 栅源间电压快速泻放,保证开关管能快速关断。  

      MOS管电路设计细节
      • MOSFET选型
        重点考虑以下因素
        电压裕量:留有40%或以上裕量。比如24V的系统,用55V/60V的MOSFET。60V的系统,用100V的MOSFET。导通内阻:内阻低发热小,便于控制器的热设计,但成本通常较高。电流裕量:峰值电流相比MOSFET的Inom,留出30%以上的裕量。电流裕量主要作为参考,最终的选择依据,是MOSFET的关联部分(比如PCB)不能过热。
      • MOSFET电路设计除了对MOS选型外,在应用中还应考虑MOS的导通损耗及开关损耗对MOS长时间工作的发热影响。

      • MOS导通损耗 不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,因而在DS间流过电流的同时,两端还会有电压,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。

      • MOS开关损耗
        MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。 下图是MOS管开关时的波形。可以看出,导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。降低开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

      反电动势检测电路设计细节
      考虑到开关噪音对低频反电动势的影响,反电动势法需要对每相以及中性点进行电阻分压和阻容滤波,对反电动势进行实时采样。滤波会造成的相位偏移,而且相位偏移会随频率不同而不同,使得控制难与实现;
      所以反电动势检测电路中各电阻、电容参数,需要考虑开关噪音对低频反电动势的影响,同时应考虑滤波可能造成的相位偏移对电机换相点控制的影响。电阻、电容参数并不是固定不变的,可能需要用户根据实际系统的工况而重新调整,这是实现电机无传感运行的关键。
      FAULT及母线电流检测电路设计细节
      采样电阻的选择:需要合理的选择采样电阻:电阻功率足够、温漂受控(通常采用康铜或合金铜)
      合理选择运放:尽量采用轨到轨(为了降低成本,一般采用单电源供电的运放)、低失调电压、高带宽增益积(避免因为运放环节造成明显的电流采样相位偏移)。
      运放周围电路电阻应采用1%精度的电阻。在电机控制中需要考虑过流保护或者恒流控制。所以需要对母线电流进行检测,产生的FAULT信号用于硬件实现快速的关断MCU PWM模块的输出,AD信号用于实现电机的输出电流值检测和恒流控制。Fault信号输出需要考虑能在最短时间内保护MOS管,同时不能出现误触发,所以需要对产生Fault的阀值电压进行合理的设置, RC滤波的电阻电容值进行合理的选择及验证。
      电流采样点PCB设计细节
      精确的电流采样,是实现BLDC控制的基本前提 ,除了对原理图设计时元器件参数的考虑外,PCB设计时电流采样点选取的对电流采样的准确度尤其重要,特别是FOC应用中采用MOS内阻进行采样时要特别注意。
      用采样电阻进行采样(通常采用康铜或合金铜)
      在线路连接上,建议功率线和采样线分开(也就是开尔文连接),采样点应由采样电阻下方焊盘引出,尽量避免引入大电流的PCB走线, 如下图所示。
      开发调试安全注意事项
      • 电路板在初次上电前,一定要检查各个电解电容的极性有无焊反,耐压值是否大于了实际电压值。电机系统上的电容容量一般都比较大,如果极性焊反了或者耐压不足,上电时,会有爆炸的危险。特别是遇到质量无保证的高压大电解电容。

      • 第一次上电前,请充分检查好接线,并使用一个有限流功能的直流电源(一般可以设置在24V、3A以内)。在没有充分熟悉板子的情况下,绝对不允许由蓄电池直接供电!

      • 在第一次上电时,应随时监控电流。如果电流过大、有异味或冒烟等异常,请立即关电。

      • 如果要调试一套高压(大于安全电压的,一般可认为是AC:36V、DC:60V以上的)电机控制系统,一定要在安全电压以内作初步调试,有把握后,才可接到高压上试验。

      • 高压控制系统的调试初期,建议不少于2个成员同时参与。每次上电运行前,2个成员互相较差检查,确认安全后,才能合闸上电,一定要在前端接入合适的空气开关、漏电保护开关及隔离变压器等保护措施。有条件的用隔离变频电源来调试,会更安全,效果也更好。

      • 电机运行过程中,严禁连接硬件调试器单步调试,也不得在调试器的DEBUG状态下全速运行电机。

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      沙发
      | 2020-1-3 17:21 | 只看该作者
      谢谢分享,,,好文章

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      板凳
      | 2020-1-7 08:30 | 只看该作者
      2020 新年福利 哈哈哈哈啊哈哈

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      地板
       楼主 | 2020-1-7 14:32 | 只看该作者
      戊戌变法 发表于 2020-1-7 08:30
      2020 新年福利 哈哈哈哈啊哈哈

      新年还有更多新福利,啊哈哈哈

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      5
      | 2020-1-7 15:12 | 只看该作者
      请问一下,这个支持的电机最高转速到多少呢?

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      6
      | 2020-1-7 15:12 | 只看该作者
      比如说,做呼吸机的方案,可以吗?

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      7
       楼主 | 2020-1-7 16:07 | 只看该作者
      carefull3357dc 发表于 2020-1-7 15:12
      比如说,做呼吸机的方案,可以吗?

      方便帖一下电机规格吗

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      8
      | 2020-1-7 16:12 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-7 16:07
      方便帖一下电机规格吗

      24V,3A,单极对还是双极对(这个参数我不清楚),最高转速35K吧!

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      9
      | 2020-1-7 16:19 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-7 16:07
      方便帖一下电机规格吗

      就是一个风机。我们之前都是使用航母的电调做的,电调有几个麻烦的地方,开机响音乐,必须给一个初始化的0-100 的初始化脉冲。

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      10
       楼主 | 2020-1-7 19:12 | 只看该作者
      carefull3357dc 发表于 2020-1-7 16:12
      24V,3A,单极对还是双极对(这个参数我不清楚),最高转速35K吧!

      是需要用无感FOC吗。目前我们2000-5000rpm的电机多一些。35K的目前还没试过。

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      11
       楼主 | 2020-1-7 19:12 | 只看该作者
      carefull3357dc 发表于 2020-1-7 16:19
      就是一个风机。我们之前都是使用航母的电调做的,电调有几个麻烦的地方,开机响音乐,必须给一个初始化的 ...

      航模的电调?具体是哪一款MCU呢

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      12
      | 2020-1-8 08:36 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-7 19:12
      是需要用无感FOC吗。目前我们2000-5000rpm的电机多一些。35K的目前还没试过。 ...

      无感的风机。

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      13
      | 2020-1-8 08:37 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-7 19:12
      航模的电调?具体是哪一款MCU呢

      8051F030这个物料的方案。其实实际转速,我们也没有具体的测试过。说是支持2万转以上。我们实际试了一下电调,也能达到呼吸机的效果。

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      14
       楼主 | 2020-1-8 10:04 | 只看该作者
      carefull3357dc 发表于 2020-1-8 08:37
      8051F030这个物料的方案。其实实际转速,我们也没有具体的测试过。说是支持2万转以上。我们实际试了一下 ...

      是用FOC还是方波控制的?

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      15
      | 2020-1-8 14:53 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-8 10:04
      是用FOC还是方波控制的?

      估计是方波。一般,大部分的都是方波!FOC还很少!成品的电调更是如此!

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      16
      | 2020-1-8 17:07 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-8 10:04
      是用FOC还是方波控制的?

      FOC的。就是淘宝里面的电调,,,

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      17
       楼主 | 2020-1-8 17:26 | 只看该作者
      carefull3357dc 发表于 2020-1-8 17:07
      FOC的。就是淘宝里面的电调,,,

      有电机可以买到吗,方便提供个链接吗,我们也想试试

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      18
      | 2020-1-9 15:50 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-8 17:26
      有电机可以买到吗,方便提供个链接吗,我们也想试试

      可以可以!我怎么发给您?我看看!微信?我私下给你发一下吧!

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      19
      | 2020-1-9 15:51 | 只看该作者
      AutochipsMCU 发表于 2020-1-8 17:26
      有电机可以买到吗,方便提供个链接吗,我们也想试试

      深圳市仓兴达科技有限公司

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      20
       楼主 | 2020-1-10 08:27 | 只看该作者
      carefull3357dc 发表于 2020-1-9 15:50
      可以可以!我怎么发给您?我看看!微信?我私下给你发一下吧!

      好的,谢谢

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