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by winster
前言：在5IMX论坛浏览学习很多有关无刷电调的帖子，受益良多。基于本人在三相异步电动机变频器和有刷/无刷直流电动机电子调速器的设计经历，现将无刷电调设计相关技术的心得体会整理成文，与模友们共同探讨，交流，也方便模友们为自己的模型选购合适的电调驱动电动机。因本人学识水平有限，文中错误和不妥之处敬请大家积极批评指正。因篇幅有限，本文删减部分内容。
要设计和选择一款无刷电调,首先要了解所要驱动的无刷直流电动机的类型、工作原理、特性，参数以及应用环境。然后要确定调速传动系统的各项重要指标：
1）、调速范围：最高与最低转速相比。
2）、调速平滑性：相邻两档转速的差值越小越平滑。
3）、调速的工作特性：静态特性主要是调速后机械特性的硬度，对绝大多数负载，机械特性越硬，则负载变化时，速度变化越小，工作越稳定。动态特性主要为升速和降速过程是否快而平稳。当负载突然增减与电压突然变化时，系统转速能否迅速地恢复。
4）、调速系统的经济性。主要从价格、调速运行效率、调速系统故障率，售后服务与支持等方面衡量。
5）、负载转矩特性：一般来说空气、水、油等介质对机械阻力基本上都是和转速二次方成正比。即负载转矩TZ=KN²
电动直升机航模用的动力一般为无刷直流电动机，无刷直流电动机的结构与交流永磁同步电动机相似，其定子上有多相绕组，转子上镶有永磁体，无刷直流电动机的优点和关键特征如下：
1）
本质上是多相交流电动机，但经过控制获得类似直流电动机特性；
2）
需要多相逆变器驱动；
3）
无电刷和换相器，即使在高转速下，也可得到较高的可靠性；
4）
效率高；
5）
低的EMI
6）
可实施无传感器控制；
按照无刷直流电动机工作原理，必须有转子磁极位置信号来决定电子开关的换相。装有转子位置传感器（例如霍尔元件）就称为有感无刷电机。有感无刷电机装传感器检测电气相位可分为60°/120°/180°/240°/300°等。根据电气相位的不同，电子换相驱动方式就略有不同，开关时序将不同，如6步换相180°变频：经过6个节拍，无刷电机的定子中将产生一个旋转磁场，带动转子转动，每个开关的一个状态在连续的3个节拍中保持不变，相当于在磁场中180°的范围内保持不变。6步换相120°变频：则每个开关的一个状态在连续的2个节拍中保持不变，相当于在磁场中120°的范围内保持不变。
位置传感器的存在占用了电动机的一些空间、安装位置对准、需要引出线等问题，随着微机控制技术的高速发展，无位置传感器控制技术和方法也获得快速进展，利用无传感器技术，无刷直流电动机不必装专门的位置传感器，从而简化电动机结构和尺寸，减少了引线，进而降低电动机成本。它从电子电路中经检测后计算获得转子磁极位置信号，实现电子换相，如电感法、反电动势法，其中以反电动势法（BEMF）较为成功。近年无传感器无刷直流电动机控制技术在航模电动机中的应用日渐增多。
无刷直流电动机从电子换相控制模式上可分为两大类：方波驱动和正弦波驱动。方波驱动相对而言控制电路简单、控制芯片种类多且价廉，应用广泛，是目前绝大多数无刷电调采用的驱动方式。但随着无传感器或外置式简易位置传感器正弦波换相控制技术的进步，无刷直流电动机的驱动控制将趋向正弦化发展。正弦波驱动相比方波驱动更具优势：正弦波驱动的电动机产生的转矩与转子位置角度无关，当在电动机中的相电流强制为正弦波时，转子在任何位置下，由定子建立的磁场矢量与转子磁场矢量之间的夹角总是维持在90°，这个电角度正是对于给定电流下，能产生最大转矩且损耗最小的角度。理论上,通常的方波驱动（6步换相、霍尔换相或梯形波驱动）直流电动机转矩纹波约为13%，而由于测量误差等因素影响，实际转矩纹波约为17%~20%。而良好设计的正弦波驱动，转矩纹波仅为3%左右。转矩纹波会导致电动机的振动、噪声、机械磨损，大大影响调速系统性能。正弦波驱动还易于利用超前角技术拓宽调速范围，这也是方波驱动难以实现的。所以正弦波驱动相比方波驱动具有低转矩波动，平滑的运动，更小的可闻噪声和易于利用超前角技术拓宽调速范围，节能高效等优点。
正弦波驱动最重要是如何产生正弦脉宽调制（SPWM）脉冲，通常方法一种是利用微处理器计算查表得到；另一种利用专用集成芯片产生；调制后输出的正弦驱动波形一般有三种：
1）
纯正弦波
2）
增强型——包含3次谐波，输出功率可提高20%。
3）
高效型——包含进一步优化的3次谐波（带死区），在一个周期中，高侧和低侧开关保持60°的间隙，使开关损耗降低30%，可减少散热片体积，提高功率电子器件的可靠性。
无刷电调硬件设计：
综上所述，了解了无刷直流电动机的特性和驱动控制原理，无刷电调硬件设计就变得容易了。无刷电调硬件一般由：MCU微控制器+无刷电机控制芯片+栅极驱动芯片+功率电子器件（如MOSFET）组成，航模用还常带有UBEG（超小型开关电源模块）。
对于自制无刷电调，建议模友们根据所要驱动的单个模型电动机的类型（有感/无感/相数等）、功率、电压、电流,尽量选用相关高性能（带PLL锁相环、超前角控制、闭环调速）、高集成度的无刷电机控制芯片，此类芯片包含完整的无刷直流电机控制调速系统，甚至集成了功率器件在芯片内，应用起来很方便可靠，价格低廉。不要在位置信号检测方法、换相计算、驱动方法等原理未完全精通的情况下采用偏软件形式方案（MCU微控制器+栅极驱动芯片+功率电子器件）。这将大大简化你的设计，缩短开发时间，保证自制的成功性。
常用三相有感无刷直流电动机控制芯片有：LS7560、A3932、MC33033、MLX90401、NJM2625、RT992、SI9979、UCC3626、LB11690、A3936、BA6444、BA6840、FAN8403
常用三相无感无刷直流电动机控制芯片有：TB6520、TB6537、TDA5145、ML4425、A8902、TB6515、LB1673、LB11981、ST72141
功率器件选用：
尽量选用高性能、集成度高的MOSFET或IGBT产品，以减少分立元件，简化电路，提高耐用性和可靠性。MOSFET的缺点是电流容量和耐压相对小，但特点是栅极静态内阻极高，驱动功率很小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽，所以特别适用于航模用小功率电机。MOSFET的类型很多，按导电沟道可分P沟道和N沟道。根据栅极电压与导电沟道出现的关系又可分耗尽型和增强型。垂直P+结构的P-MOSFET（N沟道增强型）产品获得了更低的正向电阻，这类MOSFET产品的耐电压、耐电流能力更强。IR公司至今已推出第八代功率MOSFET产品。IGBT集中了MOSFET及BJT（双极型晶体管）的优点：具有高输入阻抗，可由逻辑电平直接驱动，电阻及损耗小、电流、电压容量大、抗浪涌电流能力强等。IGBT适用于驱动较大功率电机。
后记：
基于上述设计理念，本人针对大型电动直升机（450以上）自设计了一款体积小，结构紧凑，使用简便，功能强大的超级无刷电调。大电流，有感/无感通用，自适应电气相位，方波方式启动后自动切换成正弦波驱动和应用了超前角控制技术，并带电压、电流、故障保护功能。现已完成硬件电路设计，正在编程中，调试完毕再与模友们交流。 |
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发表于 2009-3-2 10:38
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