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基于FRDM-KE02Z和TowerBoard的无传感器BLDC电机控制

Freescale Semiconductor 文档编号:AN4796 Application Note Rev. 1, 11/2013 ? Freescale Semiconductor, Inc., 2013. All rights reserved. _______________________________________________________________________ 基于FRDM-KE02Z和Tower Board的 无传感器BLDC电机控制 1 引言 本应用手册介绍了基于飞思卡尔 FRDM_KE02Z微控制器的无传感器三相无刷 直流电机的控制技术。该设计是基于飞思卡尔 的FRDM-KE02Z控制板实现的,在电机控制 上它可以实现良好的控制效果。 本应用是基于双闭环和反电动势过零检测转 子位置进行设计的。该应用可以作为飞思卡尔 微控制器和三相低压电机驱动板的无传感器 BLDC电机控制的一个范例。同时,电机控制 应用中的片上外设资源的使用,控制器特性, BLDC电机控制理论基础,系统架构,硬件设 计,软件实现都在本应用中得到了介绍。应用 设计中还包含了可调试工具FreeMASTER的 使用和系统的搭建以及演示。 目录 1 引言 1 2 KE02系列的优势和特性 2 3 BLDC电机控制理论 2 4 系统设计理念 3 5 硬件 6 6 软件 11 7 Demo的搭建和使用 19 8 参考手册 22 基于FRDM-KE02Z和Tower Board的无传感器BLDC电机控制, Rev. 1 2 Freescale Semiconductor 2 KE02系列的优势和特性 KE02适用于电机控制的特性: ? Cortex?-M0+内核 ? 在电压范围2.7–5.5 V内高达20 MHz的CPU主频 ? 高达64 KB flash,256 B EEPROM,4 KB RAM ? 具有16通道12位数据的AD转换器 ? 模拟比较器 ? 2通道的PIT中断定时器,10通道的FlexTimer模块 ? 高达2个8位数据的SPI模块,3个SCI/UART模块以及1个I2C模块 ? 57个GPIO引脚,包括8个20mA驱动引脚以及2个真正的开漏引脚 3 BLDC电机控制理论 无刷直流电机(BLDC电机)是由具有类似于三相感应电机的定子和安装了永磁体的转子组成的。 它也被称作为电子换相电机,电机上没有机械换向器,换相是在转子到达某个位置时由程序来实 现的。转子上的磁极通常是由永磁材料制成的。BLDC电机的典型横截面如图1所示。定子相绕组 嵌入在沟槽中(分布绕组)或者可以作为一个线圈绕到磁极(集中绕组)上。因为气隙磁场是由 永磁体产生的,所以转子磁场大小是恒定的。 图 1. BLDC电机横截面 永磁体的磁化强度和它们放在转子上的位置都需要精确固定,这样反电势(由于转子的转动在定 子绕组上感应的电压)的形状才会是梯形的。对于星形绕组我们可以使用两两导通的方式(如图2) 来得到六步旋转的磁场,转矩脉动较小。 基于FRDM-KE02Z和Tower Board的无传感器BLDC电机控制, Rev. 1 Freescale Semiconductor 3 图 2. BLDC电机的三相电压系统 4 系统设计理念 4.1 系统说明 本应用设计是在转速和转矩双闭环控制的基础上通过检测不导通相过零点获得转子位置来驱动三 相无刷直流电机(BLDC),满足以下控制特性: 通过反电势过零点检测转子位置实现无传感器无刷直流电机的换相控制。 控制技术包含: ? 采用转速和转矩闭环的低压无传感器控制。 ? AD转换器用来检测反电动势过零和母线电流、电压。 ? 过压,欠压,过流等故障保护。 ? 通过转子对齐电机可以从任何位置启动。 ? 电机最小转速为500 rpm,最大转速为4500 rpm。 ? FreeMASTER软件控制界面(电机启动/停止, 转速/转矩设置)。 ? FreeMASTER软件调试监控。 4.2 系统架构和转子位置检测 如下图3所示,系统包含以下硬件结构: ? FRDM – KE02Z核心板 ? TWR-MC-FRDMKE02Z转接板 基于FRDM-KE02Z和Tower Board的无传感器BLDC电机控制, Rev. 1 4 Freescale Semiconductor ? TWR – MC – LV3PH驱动板 ? TWR – SER串口转接板 ? Tower Elevator ? LINIX45ZWN24-40 BLDC电机 ? 供电电源24V

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