直流無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是比較復(fù)雜的，網(wǎng)上這方面資料也是比較多的。這里主要簡(jiǎn)單說下這個(gè)硬件基本電路設(shè)計(jì)吧。

以三相無刷電機(jī)為例，見下兩圖：

Figure1 一般簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)圖

這里轉(zhuǎn)子是永久磁體，這里簡(jiǎn)化是一個(gè)極對(duì)，實(shí)際上可能會(huì)是2對(duì)或者3對(duì)，更多都可能，見下圖。定子是三相繞組均勻分布，ABC三相簡(jiǎn)化為右圖的結(jié)構(gòu)。

Figure2 轉(zhuǎn)子磁體橫截面

Figure3 轉(zhuǎn)子運(yùn)行的磁場(chǎng)受力矢量分析

Figure4 直流無刷電機(jī)的截面

設(shè)計(jì)這樣的一款小功率直流無刷電機(jī)硬件主要就是功率驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)轉(zhuǎn)換、控制策略。電源部分最好可以使用幾個(gè)大點(diǎn)電解電容，儲(chǔ)能濾波都會(huì)好些，因?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)時(shí)需要比較大的電流。

Figure5 MOS驅(qū)動(dòng)電路

TIM_CH3和TIM_CH3N在STM32F1系列MCU里面是高級(jí)定時(shí)器的互補(bǔ)輸出通道，互補(bǔ)在這里主要是避免上下臂控制同時(shí)為高，導(dǎo)致上下MOS同時(shí)導(dǎo)通，則+24V和GND1直接導(dǎo)通（就是短路），會(huì)直接損壞器件。如果MCU沒有互補(bǔ)輸出引腳，可以經(jīng)過邏輯否后，也可以實(shí)現(xiàn)一高一低的輸出。

D1和C2是一個(gè)自舉電路，為了驅(qū)動(dòng)Q5和Q6，其實(shí)這個(gè)主要是用來驅(qū)動(dòng)Q5。因?yàn)镹MOS的VGS是正電壓驅(qū)動(dòng)，Q6的S端是經(jīng)過0.05R到GND1，所以Q6是可以直接被15V驅(qū)動(dòng)到飽和的；Q5的A點(diǎn)驅(qū)動(dòng)前可以假設(shè)是懸空的（也可以認(rèn)為是經(jīng)過電機(jī)的繞組，再經(jīng)過0.05R到GND1，再經(jīng)過0.05R到GND，這樣的一個(gè)回流），看下圖IR2101S內(nèi)部符號(hào)圖，如果加上一個(gè)儲(chǔ)能電容，和一個(gè)二極管，可以理解為是一個(gè)典型的開關(guān)全導(dǎo)通的boost電路，至少保證電容上面的電壓足以驅(qū)動(dòng)Q5的VGS。MOS的GS端可以接上一個(gè)10K電阻，G端可以是再并上一個(gè)快速放電二極管串上一個(gè)33電阻，安規(guī)處理可以再接上一個(gè)穩(wěn)壓管等等。

Figure6 IR2101S內(nèi)部符號(hào)圖

Figure7 電流轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過電流的采樣后，IA * 0.05R得到VA，經(jīng)過差分的走向后，再經(jīng)過同相加法運(yùn)算求解出對(duì)應(yīng)的輸出電壓。VREF為3.3V的一半，1.65V后跟隨器輸出。

見下圖解析，R1、R3、R5和R2、R4、R6是平衡電阻，達(dá)到電路的相互平衡和PCB走線有些共模干擾信號(hào)會(huì)相互抵消，VF1可以使用疊加定理（獨(dú)立電源代入再整合求解），這里以更簡(jiǎn)單方法（高電位-低電位）*電阻比值+低電位，VF1 =（1.65-0.2）*2/12+0.2 = 0.4416V。VF2 = (1+(R5/R1//R2))*VF1=6*0.4416=2.65v。整合簡(jiǎn)易的電路，VF2=[(1.65-0.05IA)/6 + 0.05IA]*6=1.65+(0.25/6)IA的公式。根據(jù)公式當(dāng)電流大的了，VF2的電壓比較大，會(huì)損壞控制芯片引腳，所以這個(gè)電路需要修改的，還有就是在后級(jí)加個(gè)BAV70、BAV99這些保護(hù)器件更好些。

Figure8 電流轉(zhuǎn)換電路仿真（軟件tinati）

下面是無感直接電機(jī)一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的阻值分壓和比較電路。MITTLE為中間電位，不需要過于研究電位實(shí)際大小，基本上確定Vemf>MITTER >0V，足夠比較器比較輸出高和低到MCU。最后兩個(gè)圖是對(duì)應(yīng)的運(yùn)行過程，對(duì)比下就好了，推導(dǎo)一遍，把原理搞定，剩下要搞下軟件和算法。待軟件技術(shù)提高了，后續(xù)相關(guān)篇章再出吧。

Figure9 無感的EMF比較電路

Figure10 無刷電機(jī)運(yùn)行信號(hào)變化過程

Figure11 無刷電機(jī)運(yùn)行信號(hào)變化過程對(duì)應(yīng)的機(jī)械控制