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自制无刷电机教程之在家自制无刷电机

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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教程之在家自制无刷电机

在这里，我们将建造一个自制的无刷电机。首先，我们将看到无刷电机的工作原理，无刷电机的类型。这种电机是3D打印的，但是如果你没有3D打印机，有很多方法可以制作你自己的自制无刷电机。

无刷电机

无刷直流电机（BLDC电机，BL电机）也称为电子换向电机（ECM，EC电机）是同步电机，由直流电源通过集成逆变器/开关电源供电，产生交流电信号驱动电机。在这种情况下，AC，交流电并不意味着正弦波形，而是意味着双向电流，对波形没有限制。附加传感器和电子设备控制逆变器输出幅度和波形（以及因此DC总线使用/效率的百分比）和频率（即转子速度）。

无刷电动机的转子部分通常是永磁同步电动机，但也可以是开关磁阻电动机或感应电动机[需要引用]。

无刷电动机可称为步进电动机; 然而，术语“步进电动机”倾向于用于专门设计用于在转子处于限定的角度位置时经常停止的模式下操作的电动机。本页介绍了更常见的无刷电机原理，尽管存在重叠。

结构类型

无刷电机可以采用多种不同的物理结构构造：在“传统”（也称为inrunner ）配置中，永磁体是转子的一部分。三个定子绕组环绕转子。在超越者中 （或外转子）配置，线圈和磁铁之间的径向关系是相反的; 定子线圈形成电动机的中心（磁芯），而永磁体在围绕磁芯的悬垂转子内旋转。在有空间或形状限制的情况下使用的平面或轴向磁通类型使用面对面安装的定子和转子板。Outrunners通常有更多的杆，设置为三联体以维持三组绕组，并且在低RPM下具有更高的扭矩。在所有无刷电机中，线圈都是静止的。

绕组类型

CD-ROM [9N12P]

其中9N适用于9个定子，12P适用于12个定子。这是CD-ROM电机中使用的典型绕组，它通常终止Wye（Star）。

这是许多电机制造商和复卷机将遇到的第一个绕线方案。这也是最简单的缠绕，因为所有的牙齿都是相同的方向，即ABCABCABC。

dLRK [12N10P＆12N14P]

这是最常见的绕组方案，因为它被用于目前正在制造的大多数型号的外部电机中。

dLRK方案是LRK绕组方案的衍生物，它将超越无刷电机放在地图上。

连接在一起：启动A - 结束C，启动B - 结束A，启动C - 结束B.

dLRK Evolution [12N10P＆12N14P]

这是dLRK方案的一个有趣突变，毫无疑问旨在使绕组的端接更容易和更整洁。这是我最喜欢的绕线12N14P电机。

注意需要连接在一起的阶段的开始和结束，从相同的插槽退出，使终止过程完全万无一失。

LRK [12N10P＆12N14P]

这就是“无刷革命”开始的地方。LRK绕线方案将永远被人们铭记为超越无刷电机的“祖父”。

'LRK'是一个缩写，来自三个推广超越运动的人：Lucas，Retzbach和Küfuss。2001年，他们记录了这种用于模型飞机电机的绕组方案的使用。正如他们在经典中所说，“剩下的就是历史”。

连接在一起：启动A - 结束C，启动B - 结束A，启动C - 结束B.

构建我们的自制3D打印无刷电机

使用PLA材料，4个周长和25个填充物打印两个部件。一旦你拥有了自己的身体，我们就可以开始下一部分。我们将使用尺寸为10 x 3 mm的钕磁铁。为了找到每个磁铁的极点，我们将它们彼此并排放置。如果磁铁想要旋转，这意味着这些面是同一个极点，我们不希望这样。我们希望有一个N极然后一个S，然后是其他等...

一旦你有14个磁铁连续开始并用N和S标记每个磁铁。重要的是一个是下一个的对面。现在我们可以开始将这些磁铁放在部件的内部。

现在我们对内部部件进行操作，并在底部添加一个10x4mm的节拍，在顶部添加一个。我们使用M5 5厘米长的螺丝作为轴。

最后，我们在每个孔中添加12个M3 18mm长螺钉并粘合它们。

现在我们必须为我们的电机制作绕组。对于这款12极14磁铁无刷电机，我们将使用dLRK 绕线型。按照下一个原理图来缠绕线圈。

记得用Ain，Bin，Cin和Aout，Bout和Cout标记每条线的开头，以便不混淆它们。只需将一个小标签贴在电线上即可。我们将用0.2mm铜线制作60匝线圈。一旦绕组完成焊接，用Cout焊接Ain，用Cin焊接Ain，用Bout焊接Aout。现在关闭电机并将其拧紧，我们准备好了。将3个端子连接到ESC并进行测试。您可以随时调整内容以获得更好的结果。改变绕组匝数，磁极到磁铁的距离，尺寸等。

大神自制无刷电机控制器：画板、打样、焊接、调试

很早之前就想做一款无刷电机控制器，忙于工作一直没有弄。最近有点时间画板，打样，焊接，调试，总算顺利的转起来。期间也遇到很多问题，上网查资料，自己量波形前前后后搞了差不多近一个月，（中间又出差一周）总算搞的差不多了，特意写个总结。

板子外观100*60mm 中等大小。DC 12V输入，设计最大电流10A.（实际没试过那么大的电机，手头的电机也就5 6A的样子）硬件上可以切换有感（HALL）和无感(EMF)两种模式，外部滑动变阻器调速预留有 PWM输入、刹车、正反转、USB和uart等接口。

先来说下原理无刷电机其实就是直流电机，和传统的DC电机是一样的，只是把有刷的电滑环变成了电子换向器。

因为少了电滑环的摩擦所以寿命静音方面有了很大的提升，转速也更高。

当然难点就在如何获取当前转子的位置好换相，所以又分为两种有感和无感。

有感就是在电机端盖的部位加装霍尔传感器分别相隔30度或60度。无感就是靠检测悬浮相的感应电动势过零点（后面在细讲）。

当然各有各的优缺点，有感在低速方面好，可以频繁启停换相。无感的结构简单成本低，航模上应用居多。

先说有感，电源首先被分成了3个绕组U V W这个交流电还是有区别的。

它只是3个h桥按一定的顺序导通模拟出来的，本质还是直流电。电机靠hall位置按一定顺序换相，转速与电压电流有关。这一点切记，不是换的越快转的越快。（位置决定换相时刻，电压决定转速）一般调速就是调电压，6步pwm方式是目前常用的。当然后续还有foc等更好算法。

硬件部分网上基本都是成熟的方案。三相H桥，H桥一般有上臂mos和下臂mos组成，如果只是简单的做演示上臂选pmos下臂选nmos控制电路简单直接用单片机的io就可以驱动。但是pmos低内阻的价格高。功率上面很难做大。

这也就是为什么基本所有的商业控制器全是nmos的原因。

但是上臂用nmos存在一个问题vgs控制电压大与vcc 4v以上才能完全导通。为了简化电路采用了ir公司出的驱动ic，它内部有自举升压电路。外部仅需一个续流的二极管及储能电容即可。

有感模式控制相对简单，3个霍尔传感器输出一般都是数字信号，分压后直接接单片机io。

当然控制方式上也就简单很多，三个霍尔接中断输入，在中断处理程序中根据组合状态换相，程序上也没什么复杂的。主程序一直检测ad值，改变pwm占空比，及电流保护等。

如下一个典型的换相代码。Stm32 有两个高级定时器tim1 tim8 可以输出4组互补型pwm，还可以设定死区时间等，使用上非常方便。

switch(step){case 4: //B+ C-/* Next step: Step 2 Configuration -------------------------------------- */TIM_CCxCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCx_Disable);TIM_CCxNCmd(BLDC_TIMx,TIM_Channel_1,TIM_CCxN_Disable);

}

下图为uvw三相的霍尔检测到的电平及w相的波形。

下图为 uvw三相波形及w相霍尔电平

下图为 w相电平， w相上臂on 下臂pwm ，w相霍尔信号。

下图为w相ir2304芯片输出，上臂电压可明显看到已高于vcc，下臂为pwm信号

在说说无感模式，由于没有了霍尔，电机无法知道转子当前的位置所以就无法换相，而感应电动势也只有在转起来之后才有，所以无感模式的启动是个难点。

一般方法都是分三段法： 1 预定位 2 启动 3 进入闭环反馈

正如网友说的江湖一层纸，戳破不值半文钱。

1. 预定为就是强制给某一相通电一段时间，让电机定位到这个位置。占空比30-50%不要太大，可能会发热。

2. 启动，就是逐步的强制换相，当然要有个加速的过程，使电机转起来。

这个过程太慢会抖动反转，太快会丢步。参数需要一点点试，有点像控制步进电机。要能使电机转的能产生电动势，我也是参照的德国MK 电调的算法。

每次延时时间比上一次少1/25，形成一个加速的过程，直到电机完全转起来产生足够的电动势。

3. 闭环反馈控制换相跟有感差不多一样。

speed_duty=30; //30% startBLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //固定一相Delay_MS(200);speed_duty=pwm;timer = 300;while(1){for(i=0;i<timer; i++){Delay_US(120); //等待}timer-= timer/25+1;if(timer < 25){ if(TEST_MANUELL){timer = 25; //开环强制换向}else{bldc_dev.motor_state=RUN;break;} }Phase++;Phase %= 6;BLDC_PHASE_CHANGE(Step[Phase]); //}

说到感应电动势很多人不明白，先来说说电流，电机线圈的内阻通常很小比如0.2欧，电机的电压比如10v，按理来说电流100a为何电机不烧哪？

其实电机线圈在通电的一瞬间并不是完全导通的，因为有反向电动感应势的存在，可能有-9.8v。10v-9.8v = 0.2v /0.2 = 1A.这样算起来电流还合理。

在说说那个初中学习的法拉第，当线圈切割磁场时会产生感应电动势，根据右手定则。。。。。。。。不懂的自行上网搜。

如下图当ac相在通电12v的情况下，静止状态下正中间中性点理论为6v，但是转起来就不一定了，因为b相实际是在切割磁场，是会产生电动势的。而电动势的大小正负取决与当前在磁场ns极的位置。当切割ns时为-1，切割sn时为1，平行时为0.

利用这一特性不就刚好可以获得转子的位置吗？

首先检测电路网上已经一大很成熟了。

如下图，当然很多时候需要在4.7k对地的电阻上并一个100nf的电容，做一个低通滤波。也可以在软件中做滤波处理。

我们所要做的就是检测这个悬浮相的电动势过零点。

网上常用的两种方法：1 单片机ad采集；2 比较器比较。我选择了比较器lm339价格已经很便宜了，在高速上比ad有明显优势，只要比较cin bin ain 与n点的压差即可获得零点。

理想很完美，现实很残酷，实际中根本得不到这么完美的波形。如下图，这个已经是比较好的了，还是有很多毛刺。这个给单片机中断，肯定一大堆问题，严重的换错相烧mos管。

为什么会有这些毛刺哪，有些还挺有规律。

参考了网上的介绍，这中间还有一个叫消磁的东西。

原理不深究了，反正时间很短，软件上做一个滤波消掉就可以了。

进入中断函数后做如下处理，定时器的中断我暂时用的20us。

const unsigned int FilterNums = 0xff;static unsigned int nums =0;static unsigned int Queue_UStatus =0;static unsigned int Queue_VStatus =0;static unsigned int Queue_WStatus =0;static unsigned char EMF_SVal =0;unsigned char Filter_U_Status=0;unsigned char Filter_V_Status=0;unsigned char Filter_W_Status=0;unsigned char EMF_Val=0;unsigned int status_h;unsigned int status_l;unsigned int Delay30deg =0;/* 清除中断标志位 */if ( TIM_GetITStatus(TIM3 , TIM_IT_Update) != RESET ){TIM_ClearITPendingBit(TIM3 , TIM_FLAG_Update);