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無刷馬達 - BLDC

基本結構

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  • 與有刷馬達一樣,讓與定子接觸的磁鐵產生互斥現象,讓轉子可以轉動。
  • 差別在於
    • 有刷馬達:透過機械方式,透過電刷讓線圈產生磁場;
    • 無刷馬達:透過電的方式,讓周圍的定子產生磁場,讓中間的轉子互斥而轉動。
  • 無刷電機的優點:不易損壞、不易有電火花產生與EMI現象
  • 無刷電機的缺點:結構複雜、需要使用驅動板帶動馬達
  • 回授訊號:無/霍爾感測器。
    • 有回授訊號就可以知道目前轉子的相對位置,讓無刷馬達更準確的轉動。

機械結構

  • 轉子:永久磁鐵,定子:線圈繞組。
  • 分為內轉式與外轉式,差別在:外轉式,轉子與定子的位置相反
  • 由轉子與定子磁極同性互斥而產生轉距。

電路架構

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  • 由6個MOSFET組成三相式電路,利用磁場讓中間的轉子轉動。
    • 每兩個組成一半橋,總共三個半橋電路。
  • 運作時,每個時脈 僅有兩個 MOSFET被閉合。
  • 在快速切換的狀況下,讓轉子與定子保持在「同性相斥」的狀態。

無刷馬達種類

無刷直流馬達(BLDC Motor)

  • 額定電壓:與ESC控制器的最高頻率與負載有絕對關係
    • 2212-850KV Motor + 1045螺旋槳:工作電壓為11V
    • 2212-850KV Motor + 7040螺旋槳:工作電壓為22V
  • KV值:RPM / 工作電壓
    • 與電壓呈正比:電壓上升,轉數則線性上升
    • 與匝數呈反比:匝數越小,轉數則變快
  • 轉矩:馬達帶動負載的機械力矩。
  • 轉速:馬達每分鐘的轉速。
    • 轉數越高,轉矩越低,相反亦然。
    • 若電壓提高,轉速也提高,在負載不變的情況,有機率無法帶動負載燒毀馬達
  • 最大電流:馬達能承受的最大電流。
  • 最大功率:馬達能承受的最大功率。
    • 可以看成該馬達的最大力量上限,若超過此限制,有機率讓馬達燒毀。
  • 槽數:定子上矽鋼片的槽數量。
  • 級數:轉子上磁鐵的數量。
  • 匝數:矽鋼片上面繞的銅芯圈數。
    • 內轉子馬達多用於減速使用,所需轉數較高,所以級數都會在4以內。

永磁同步馬達(PMS Motor)

想到再補

BLDC 運作方式

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  • 兩個MOSEFT閉合時,會流過馬達形成迴路,透過安培右手定則,可將此迴路形成一磁場。
    • 箭頭方向為S極、另一端則為N極。
  • 轉子遇到同性及形成相斥,並轉動一個角度到下一位置。
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  • MCU切換下一個MOSFET閉合邏輯,讓定子形成另一個磁場,將轉子移至下一位置,如此循環,讓馬達轉動。
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ESC

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MOSFET Driver

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ChatGPT

  • MOSFET的栅极(Gate)电容较大,直接由微控制器或其他低功率驱动信号驱动,可能导致开关速度慢、工作不稳定、损坏等问题
  • 使用MOSFET驱动器可以提供以下优点:
    • 高速开关:减小MOSFET开关时的电压和电流损耗。
    • 高功率:驅動器提供高电流和高电压的驱动信号,以确保MOSFET元件能够稳定、高效地工作。
    • 保护功能:例如过流保护、过热保护、欠压保护等,以保护MOSFET和其他电路不受损害。
    • 兼容性:可以兼容不同类型的MOSFET元件,使得设计更加灵活。

電路圖

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FOC vs ESC

  • 為「帶動馬達旋轉的數學模型」。
  • FOC具有「低轉速」、「馬達正反轉」、「低噪音」等特性。
    • FOC透過算法/感應器,得到當前馬達 「準確」 的位置。
    • FOC可以實現馬達正反轉,同時利用能量回收,達到優良的煞車控制。
    • FOC採用Sin波(正弦波)驅動馬達,相比ESC的方波噪音更小。
    • FOC可透過「電流(力矩)」、「速度」、「位置」三種方式,以閉環控制馬達。
  • ESC具有「簡單」、「便宜」、「相容性高」等特性。
    • ESC由於只有簡單的方波控制,實現成本較FOC來說簡單許多。
    • 驅動器成本方面,相較於FOC,ESC的所需材料也較為便宜。
    • ESC不必特別做到為不同的馬達調整一次參數。

FOC Pipeline

基本架構

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  • Iq:馬達力矩,通常是一個常數
    • 給多少力矩,讓定子產生多大的磁場強度帶動轉子旋轉
  • I-Alpha & I-Beta:逆帕克變換後的兩相電流值
  • ia & ib & ic:逆克拉克變換後的三相電流值
  • 3 Phase Inverter (MOS):接收三項電流值,轉成開關訊號控制定子所屬磁場
  • 通常馬達上面會有一顆編碼器,能夠偵測當前馬達所屬之電角度。
  • 之後將電角度再回授給逆帕克變換進行計算。以此能得到更精確的控制。

克拉克(Clark)變換

  • 將馬達輸出的三個相位波型做降維計算,使其變成兩個變數I-Alpha與I-Beta。

灯哥手把手教你写FOC算法 系列课程2

算法與矩陣

  1. 將三相Ia, Ib, 與Ic的數值變成向量,並且放到座標軸作投影變成直角坐標系。
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  2. 把投影的結果寫成矩陣乘法,即得到克拉克變換的基本公式。
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等幅值克拉克(Clark)變換

  1. 在論文上通常比較常見的公式。
  2. 讓投影出來的I-Alpha變數可以符合原先向量的ia電流。
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  3. 由於I-Alpha = ia,又因克西荷夫電流定律,可化簡成如下公式:
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  • 由於克西荷夫電流定律,在硬體上只需知道兩相的電流(Sensor)即可求得最後一相電流。
  • 呈上,可以減少硬體設計的成本。

逆克拉克(Clark)變換

  • 將等幅值克拉克變換的公式反推,即可知道原本的三相電流,即為逆克拉克(Clark)變換。
等功率克拉克(Clark)變換
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帕克(Park)變換

  • 帕克(Park)變換是把馬達旋轉的物理狀態轉換成數學模型的算法。
  • 需要知道I-Alpha與I-Beta電流規律,才能送給克拉克變換作降維。

算法與矩陣

  1. 將I-Alpha與I-Beta的坐標系上放上一個新的Q-D坐標系。
  2. 並且將I-Alpha與I-Beta坐標系作降維,得到兩個值:IqId

Alpha軸在q軸複負半軸,所以需要加一個負號。

逆帕克(Park)變換

  • 將帕克變換取逆即可得到逆變換。
    • Iq與Id兩變數升維變成I-Alpha與I-Beta。

電流(力矩)閉環控制

難處

  • 無感:獲取轉子角度
  • 霍爾:低速同步角度
  • 編碼器:提高控制精度與動態性能

解決方案

ADI Trinamic TMC4671

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  • 伺服馬達控制器IC
    • 磁場定向控制 FOC
    • 並行處理單元
    • 高更新率 (~ 100KHz)
    • 過濾與數字插值

方塊圖

  • 四個數學變換控制器
    • 克拉克 & 帕克控制器
      • 解算當前馬達位置
    • 反向克拉克 & 帕克控制器
      • 對應馬達輸出的相電壓
  • 兩個PID控制器
    • 轉矩控制
    • 磁通量控制
  • 電流感測器
  • 位置反饋系統(編碼器、霍爾感測器)

Reference