HackMD無刷馬達 - BLDC
基本結構
- 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
- 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而燒毀馬達。
- 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
- 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。
- 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。
ESC
MOSFET Driver
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
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
- 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。
算法與矩陣
- 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。
- 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。
等幅值克拉克(Clark)變換
- 在論文上通常比較常見的公式。
- 讓投影出來的I-Alpha變數可以符合原先向量的ia電流。
- 由於I-Alpha = ia，又因克西荷夫電流定律，可化簡成如下公式：
- 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
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
- 將I-Alpha與I-Beta的坐標系上放上一個新的Q-D坐標系。
- 並且將I-Alpha與I-Beta坐標系作降維，得到兩個值：Iq與Id。
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
- 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
- 克拉克 & 帕克控制器
- 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)
