永磁直流无刷电机驱动单片机
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势检测电路,降低了调速范围; - 对不同的电机及速度范围,必须重新设计
反电动势检测电路的参数;
无传感器;可进行宽范围的速度检测;
无传感器
优点 无须外加反电动势检测电路,可有效降低本.
无专利侵犯 + 降低成本
ST72141单片机介绍内容
介绍目录
A. 永磁直流无刷电机的基本原理
B. ST72141 产品介绍 - 基本功能 - ST7 单片机内核 - 电机控制模块 - 驱动模式：电流模式 / 电压模式
A
4
2
B
C
T1-T6
A5
B T3-T6
A
B
C
T3-T2
B
C
T5-T2
6B
C
T5-T4
永磁直流无刷电机的基本原理(3)
控制方法 :
➢ 为了能够实现自动换相, 必须时刻检测电机转子的位置. 一般来说,有2种 方法检测转子的位置: 通过霍尔位置传感器检测转子的位置(sensor mode) 通过电机绕组的反电动势检测转子的位置(*注) (sensorless mode)
永磁直流无刷电机的基本原理(2)
➢ 驱动方法 : 6 步换相( 相电流为T形波 ) 相序: ABACBCBACACB
A,B,C三相电流波形 A
B
C
1 2345 6 T1 T1 T3 T3 T5 T5 T4 T6 T6 T2 T2 T4
+300V DC t
T5
T3
I+ V
t
W
t
-
T6
T4
45
T1
U
A
➢ 换相时刻点:当定子绕组的电流与其反电动势同相时进行换相时.
➢ 控制过程要求时刻保持定子绕组的电流与发电动势信号同相:
Pe = E * I; E --- 定子反电动势, I ---- 定子电流, Pe ----有用功率
❖注: 定子绕组反电动势是由永磁转子的旋转在定子绕组中感应生成: e=dj/dt, 它的产生与电机通电与否无关 (当手动转动电机转子时,同 样也能在定子中产生反电动势),与转子转速成正比. 因此,定子相电压由外加驱动电压与反电动势叠加而成.
永磁直流无刷电机的基本原理(3)
电机定子绕组内的信号波形
Back-EMF current
t
反电动势检测的实现: 常规方法(1)
BUS
BUS
300V
N
~
N
N' ~
电阻分压 & 滤波
N
+ 5V
N'
~
电源地
电源地
POWER GND
虚拟中心点 电阻分压 & 滤波
策略: - 需要创建一个虚拟中心点. - 取自虚拟中心点及反电动势的信号被分压、滤波后再输入到比较器进行检 测.
缺点: - 由于对被检测信号进行了分压, 使得灵敏度降低并且在低速时检测困难导 致低速性能较差.
- 由于对被检测信号进行了滤波, 导致了转子位置检测滞后.
反电动势检测的实现: 常规方法(2)
相电流
滤波后的相电压
滤波后的虚拟参考点 N’ 的电压
filt1.hgl
反电动势过零点(反电动势由负变为正)
ST72141 特有的反电动势检测方法(1)
+300V DC
T5
T3
T1
I+ B
A
C
T6
T4
T2
300V T1 PWM "ON" A
V/2
B C
bemf
T4 always ON
GND
300V T1 PWM "OFF" A
GND
B
C
bemf
T4 always ON
GND voltage clamping
+ 5V
1V
ST72141 micro controller
永磁直流无刷电机的基本原理(1)
运行特性 :
同步特性 :定子磁通量与转子机械转速同步. 定子结构 : 3 相绕组 (可由多对极组成). 转子结构 : 永磁体. 电周期与机械周期的关系: 1 机械周期 = P 电子周期 对于单对极电机 : 1电子周期(6 步) = 1机械周期
A
A
1
B AB C
2
B AC
运行效率高 (最高可达到 98%) 调速性能好 低噪声 更高的可靠性 / 更长的使用寿命 (无电刷) 具有较大的启动力矩（与交流电机相比）
主要应用:
压缩机 (空调,冰箱)
小家电 (吸尘器, 食物搅拌机) 工业风扇 电单车 汽车电子 (油泵,水泵, 冷却风扇,空调) 办公自动化应用 (激光打印机,复印机)
B
1
C
T2
6
2 3
单对极电机运行特性
➢ 1电子周期(6 步) = 1机械周期
A
A
A
1
B T1-T4 C
A
4
Baidu Nhomakorabea
2
B T1-T6
A5
B T3-T6 3
A
NS
B T3-T2 C
B T5-T2 C
6 B T5-T4 C
两对极电机运行特性
N
➢ 2电子周期(12 步) = 1机械周期
S
S
N
A
A
A
1
B
C
T1-T4
信号;
压衰减和滤波;
- 在退磁结束后,当上桥臂IGBT打开时,由于 - 经过衰减和滤波的信号被输入到外部比
续流二极管的续流作用,定子绕组中心点N 较器.
的电势为0,此时才打开反电动势的检测窗
口.
PWM 的占空比不能完全达到100%.
缺点
- 需要电阻分压及滤波; - 灵活性低 : 电压和频率受限于外部反电动
------ 相电压------
反电动势过零点
退磁结束点
反电动势过零点
两种检测方法的比较
专利号 原理
ST Method
GE Method
US 5,859,520
US 4,654,566
"control of a brushless motor"
全数字方案 :
模拟方案 :
- 反电动势经片内箝位转换成0~5V的数字 - 需要创建虚拟中心点 N’ ,采样信号经过分
反电动势信号未被衰减,直接通过一电阻接到单片机的端口上 高灵敏度 + 宽调速范围 + 好的低速性能 + 大的启动力矩(非常适合类似压速机的负 载) 无滤波延时 高信噪比
ST72141 特有的反电动势检测方法(2)
反电动势由负变为正
反电动势由正变为负
-------- 相电流 ----------
退磁结束点
C. ST72141 优点
D. 附录
- 起动时序 - PI闭环控制算法
ST72141 :永磁直流无刷电机驱动单片机
基本特性:
8 Bit 内核 8K ROM/OTP/EPROM; 14个多功能双向I/O端口,内含:
- 外部中断; - 13个多功能复用端口; - 3个高电流输出端口 (漏极开路: 20mA ) 2 个 16 bit定时器, 内含 : - 2 个输入捕捉; - 2 个输出比较; - 外部时钟输入; - PWM 及单脉冲输出模式; SPI 同步通讯接口; 8 通道 8 bit ADC; SDIP32 or SO34S 封装;
ST72141单片机介绍内容
介绍目录
A. 永磁直流无刷电机的基本原理
B. ST72141 产品介绍 - 基本功能 - ST7 单片机内核 - 电机控制模块 - 驱动模式：电流模式 / 电压模式
C. ST72141 优点
D. 附录
- 起动时序 - PI闭环控制算法
永磁直流无刷电机的基本原理
主要优点:
反电动势检测电路的参数;
无传感器;可进行宽范围的速度检测;
无传感器
优点 无须外加反电动势检测电路,可有效降低本.
无专利侵犯 + 降低成本
ST72141单片机介绍内容
介绍目录
A. 永磁直流无刷电机的基本原理
B. ST72141 产品介绍 - 基本功能 - ST7 单片机内核 - 电机控制模块 - 驱动模式：电流模式 / 电压模式
A
4
2
B
C
T1-T6
A5
B T3-T6
A
B
C
T3-T2
B
C
T5-T2
6B
C
T5-T4
永磁直流无刷电机的基本原理(3)
控制方法 :
➢ 为了能够实现自动换相, 必须时刻检测电机转子的位置. 一般来说,有2种 方法检测转子的位置: 通过霍尔位置传感器检测转子的位置(sensor mode) 通过电机绕组的反电动势检测转子的位置(*注) (sensorless mode)
永磁直流无刷电机的基本原理(2)
➢ 驱动方法 : 6 步换相( 相电流为T形波 ) 相序: ABACBCBACACB
A,B,C三相电流波形 A
B
C
1 2345 6 T1 T1 T3 T3 T5 T5 T4 T6 T6 T2 T2 T4
+300V DC t
T5
T3
I+ V
t
W
t
-
T6
T4
45
T1
U
A
➢ 换相时刻点:当定子绕组的电流与其反电动势同相时进行换相时.
➢ 控制过程要求时刻保持定子绕组的电流与发电动势信号同相:
Pe = E * I; E --- 定子反电动势, I ---- 定子电流, Pe ----有用功率
❖注: 定子绕组反电动势是由永磁转子的旋转在定子绕组中感应生成: e=dj/dt, 它的产生与电机通电与否无关 (当手动转动电机转子时,同 样也能在定子中产生反电动势),与转子转速成正比. 因此,定子相电压由外加驱动电压与反电动势叠加而成.
永磁直流无刷电机的基本原理(3)
电机定子绕组内的信号波形
Back-EMF current
t
反电动势检测的实现: 常规方法(1)
BUS
BUS
300V
N
~
N
N' ~
电阻分压 & 滤波
N
+ 5V
N'
~
电源地
电源地
POWER GND
虚拟中心点 电阻分压 & 滤波
策略: - 需要创建一个虚拟中心点. - 取自虚拟中心点及反电动势的信号被分压、滤波后再输入到比较器进行检 测.
缺点: - 由于对被检测信号进行了分压, 使得灵敏度降低并且在低速时检测困难导 致低速性能较差.
- 由于对被检测信号进行了滤波, 导致了转子位置检测滞后.
反电动势检测的实现: 常规方法(2)
相电流
滤波后的相电压
滤波后的虚拟参考点 N’ 的电压
filt1.hgl
反电动势过零点(反电动势由负变为正)
ST72141 特有的反电动势检测方法(1)
+300V DC
T5
T3
T1
I+ B
A
C
T6
T4
T2
300V T1 PWM "ON" A
V/2
B C
bemf
T4 always ON
GND
300V T1 PWM "OFF" A
GND
B
C
bemf
T4 always ON
GND voltage clamping
+ 5V
1V
ST72141 micro controller
永磁直流无刷电机的基本原理(1)
运行特性 :
同步特性 :定子磁通量与转子机械转速同步. 定子结构 : 3 相绕组 (可由多对极组成). 转子结构 : 永磁体. 电周期与机械周期的关系: 1 机械周期 = P 电子周期 对于单对极电机 : 1电子周期(6 步) = 1机械周期
A
A
1
B AB C
2
B AC
运行效率高 (最高可达到 98%) 调速性能好 低噪声 更高的可靠性 / 更长的使用寿命 (无电刷) 具有较大的启动力矩（与交流电机相比）
主要应用:
压缩机 (空调,冰箱)
小家电 (吸尘器, 食物搅拌机) 工业风扇 电单车 汽车电子 (油泵,水泵, 冷却风扇,空调) 办公自动化应用 (激光打印机,复印机)
B
1
C
T2
6
2 3
单对极电机运行特性
➢ 1电子周期(6 步) = 1机械周期
A
A
A
1
B T1-T4 C
A
4
Baidu Nhomakorabea
2
B T1-T6
A5
B T3-T6 3
A
NS
B T3-T2 C
B T5-T2 C
6 B T5-T4 C
两对极电机运行特性
N
➢ 2电子周期(12 步) = 1机械周期
S
S
N
A
A
A
1
B
C
T1-T4
信号;
压衰减和滤波;
- 在退磁结束后,当上桥臂IGBT打开时,由于 - 经过衰减和滤波的信号被输入到外部比
续流二极管的续流作用,定子绕组中心点N 较器.
的电势为0,此时才打开反电动势的检测窗
口.
PWM 的占空比不能完全达到100%.
缺点
- 需要电阻分压及滤波; - 灵活性低 : 电压和频率受限于外部反电动
------ 相电压------
反电动势过零点
退磁结束点
反电动势过零点
两种检测方法的比较
专利号 原理
ST Method
GE Method
US 5,859,520
US 4,654,566
"control of a brushless motor"
全数字方案 :
模拟方案 :
- 反电动势经片内箝位转换成0~5V的数字 - 需要创建虚拟中心点 N’ ,采样信号经过分
反电动势信号未被衰减,直接通过一电阻接到单片机的端口上 高灵敏度 + 宽调速范围 + 好的低速性能 + 大的启动力矩(非常适合类似压速机的负 载) 无滤波延时 高信噪比
ST72141 特有的反电动势检测方法(2)
反电动势由负变为正
反电动势由正变为负
-------- 相电流 ----------
退磁结束点
C. ST72141 优点
D. 附录
- 起动时序 - PI闭环控制算法
ST72141 :永磁直流无刷电机驱动单片机
基本特性:
8 Bit 内核 8K ROM/OTP/EPROM; 14个多功能双向I/O端口,内含:
- 外部中断; - 13个多功能复用端口; - 3个高电流输出端口 (漏极开路: 20mA ) 2 个 16 bit定时器, 内含 : - 2 个输入捕捉; - 2 个输出比较; - 外部时钟输入; - PWM 及单脉冲输出模式; SPI 同步通讯接口; 8 通道 8 bit ADC; SDIP32 or SO34S 封装;
ST72141单片机介绍内容
介绍目录
A. 永磁直流无刷电机的基本原理
B. ST72141 产品介绍 - 基本功能 - ST7 单片机内核 - 电机控制模块 - 驱动模式：电流模式 / 电压模式
C. ST72141 优点
D. 附录
- 起动时序 - PI闭环控制算法
永磁直流无刷电机的基本原理
主要优点: