直流无刷电机(BLDC)基础知识

电机运动控制-Trinamic 2022-09-23 29006

描述

提到直流无刷电机，那不得不提的就是有刷电机了。有刷电机有一个比较令人讨厌的缺点：那就是“吵”。

因为电刷和换向环需要时刻不停地摩擦，才能给电枢供电。

所以，如果你想要一个“静音风扇”的话，肯定不能选使用了有刷电机的产品。

BLDC

并且电刷使用时间久了，比较容易损坏。电流较大的时候，你甚至可以看到电刷在换向的时候噼里啪啦地冒火花。

而这些缺点，在下面将要介绍的直流无刷电机(Brushless DC Motor)里，一样都没有!

我们将从以下四个方面来给大家介绍直流无刷电机(以下简称BLDC)：

1，BLDC的优缺点;

2，BLDC的工作原理;

3，BLDC的控制方式;

4，BLDC的实际使用。

1、BLDC的优缺点

直流无刷电机，从字面上看，其最大的特点，就是“无刷”，也就是没有电刷的意思。

就因为没有电刷，它非常完美地避开了有刷电机的那几个缺点。所以反过来说，它主要的优点就是：

1，寿命长;2，能够做到静音;3，效率高(损耗低);4，体积较小;5，稳定性高。

1.无刷直流电机运行的速度范围比较宽泛，在任意的速度下，都可以全功率运行。

2.过载能力突出，运行效率高。

3.无刷直流电机相对于有刷电机来说，体积更小，适用范围更广，功率密度较高。

4.和异步电机的驱动控制相比，驱动更加简单化。

5.无刷直流电机没有机械换向器结构，里面封闭，可以避免飞尘颗粒进入电机内部，导致出现各种各样的毛病，可靠性高。

6.外特性较好，低速运行，可输出大转矩，可以提供比较大的启动转矩。

2、 BLDC的工作原理

BLDC是电机的一种，所以它最基本的构成也离不开定子(stator)和转子(rotor)。

有刷电机的定子是永磁体，而它的转子，则是通电的线圈(绕组)。如下图：

BLDC

但是对于BLDC来说，情况恰恰相反!

BLDC的定子(stator)是通电的线圈，而转子(rotor)却是永磁体!

BLDC

从“麦克斯韦-安培定律”可以知道，通电线圈附近的空间会产生磁场。而磁场的分布方向，我们可以用“右手定则”得出。如下图：

BLDC

其实这就是我们常说的“电磁铁”了!

那么接下来的事情就简单了，磁铁的特性是什么?

同性相斥，异性相吸!

所以，我们只要给定子上的线圈接入方向适当的电流，

即让电磁铁的磁极方向和永磁体的磁极方向正好对应，不就能排斥、或者吸引转子做旋转运动了。

BLDC

上图就是按顺序单独给线圈通电，使其朝向转子的方向为电磁铁的S极，吸引转子顺时针方向旋转。

定子的优化

以上的驱动方式，即按顺序单独给每个线圈通电，虽然可行，但是未免太过繁琐，效率低下。

因此，实际上的BLDC会将那六个线圈两两组合，分成A，B，C三个绕组，如下图：

BLDC

这样我们就可以同时驱动两个电磁铁了，效率立马提高了一倍。

但是这还只是用了磁铁“吸引”的特性，别忘了磁铁还有“排斥”的特性。

如果我们再同时驱动另外一组线圈，让上一组线圈“吸引”转子的时候，另外一组线圈“排斥”转子，那么我们的转子将会获得更高的驱动力!

如下图：

BLDC

到目前为止，这个模型已经开始接近实际的BLDC产品了。

但是对于上面的模型，

我们需要给两个绕组同时提供方向相反的两组电源，才能同时达到“吸引”和“排斥”的效果。

这对于实际应用来讲，未免过于复杂，成本也太高。

接下来我们要讲的“BLDC的控制方式”，将会解决上面这个问题。

3、BLDC的控制方式

原来的A,B,C三个绕组是各自独立的，因此控制起来非常麻烦。

那如果我们把A,B,C三个绕组接在一起，拼成一个“星形连接(star arrangement)”，结果会是怎么样?

BLDC

本来三个绕组，引出六根线;现在引出的线减少到只有三根线，那么这么接怎么实现跟六根线一样的控制效果呢?

如下图：

BLDC

电源正极接在右上角的A绕组输入，而电源的负极接在了左下角的B绕组输出。

这个时候A绕组和B绕组同时被驱动，而且其极性正好相反，实现了三个绕组独立驱动时一样的效果!

所以只要按照这个顺序：AB-AC-BC-BA-CA-CB，这六个节拍，依次循环驱动定子的绕组，转子就能一直旋转下去!

可以使用六个电子开关来实现这六个节拍的驱动，如下图：

BLDC

位置检测

我们虽然已经知道了控制转子的六个节拍的方法。

但是你有没有发现一个新的问题：如果不知道转子的位置，如何知道何时该驱动哪个绕组?

所以我们必须要知道转子的当前位置!

而转子的位置检测，一般有两种方式：

1，霍尔传感器检测法;

如下图，在定子里放上H1,H2,H3，三个霍尔传感器，就可以知道当前的定子的确切位置。

BLDC

霍尔传感器的输出用高低电平来表示：

BLDC

2，反向电动势检测法

反向电动势(Back EMF)检测法是基于电磁感应原理：

当没有通电的绕组周围的磁场(磁通量)改变时，会在这个绕组上感应出一个电动势，

我们只要检测这个电动势的大小和方向，也能知道当前定子的位置。

BLDC

这两种检测方式各有优缺点：

霍尔传感器检测精度更高一点，但是成本也较高;

相反，反向电动势检测法经济性更好，但是精度稍低。

内转子 or 外转子

BLDC有两种结构：转子在内的叫做内转子BLDC;相反，转子在外的叫做外转子BLDC。

BLDC

相对来说，外转子BLDC应用更多一点。

主要原因是外转子BLDC在机械结构上更稳定。这是因为电机转子在高速运行下，由于离心力的作用，会有向外扩张的趋势。

所以内转子BLDC需要非常高的机械精度，保证转子和定子不会打架。

但是如果预留的距离太远，又会导致漏磁而影响电机的整体效率。

但是在外转子BLDC上却没有这个问题，因为外转子天然不受扩张影响。

BLDC的缺点

我们现在再回到前面遗留下的问题：BLDC的缺点是什么?

相信你已经猜到：我们花了那么多的篇幅来讲BLDC的控制方式，足以看到其控制的难度，相对于有刷电机来说，是高出了不少的!

所以说BLDC最大的缺点，就是他的控制难度高，驱动电调(Electronic Speed Control，简称ESC)价格较高。

它还有一个缺点，就是BLDC由于感抗的原因，启动时会伴随着抖动，不像有刷电机的启动那么平稳。

目前主流的无刷电机控制方式有如下三种：

1、方波控制：

也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制

方波控制方式的优点是控制算法简单、硬件成本较低，使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速;

缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值。方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。

方波控制使用霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置，然后根据转子的位置在360°的电气周期内，进行6次换向(每60°换向一次)。

每个换向位置电机输出特定方向的力，因此可以说方波控制的位置精度是电气60°。

由于在这种方式控制下，电机的相电流波形接近方波，所以称为方波控制。

BLDC

2、正弦波控制：

正弦波控制方式使用的是SVPWM波，输出的是3相正弦波电压，相应的电流也是正弦波电流。

这种方式没有方波控制换向的概念，或者认为一个电气周期内进行了无限多次的换向。

显然，正弦波控制相比方波控制，其转矩波动较小，电流谐波少，控制起来感觉比较“细腻”，但是对控制器的性能要求稍高于方波控制，而且电机效率不能发挥到最大值。

3、FOC控制

BLDC

又称为矢量变频、磁场矢量定向控制

正弦波控制实现了电压矢量的控制，间接实现了电流大小的控制，但是无法控制电流的方向。

FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版本，实现了电流矢量的控制，也即实现了电机定子磁场的矢量控制。

由于控制了电机定子磁场的方向，所以可以使电机定子磁场与转子磁场时刻保持在90°，实现一定电流下的最大转矩输出。

FOC控制方式的优点是：转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快;

缺点是：硬件成本较高、对控制器性能有较高要求，电机参数需匹配。

FOC是目前无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)高效控制的最佳选择。

FOC精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

由于FOC的优势明显，目前很多公司已在众多应用上逐步用FOC替代传统产品的控制方式。

德国Trinamic有一款带有磁场矢量控制(FOC)的伺服控制芯片---TMC4671-LA

- 转矩控制模式

- 速度控制模式

- 位置控制模式

- 电流控制刷新频率和最大的PWM频率为100KHz (速度和位置控制的刷新频率可以根据当前电流刷新频率的倍数配置)

TMC4671是一款完全集成伺服控制芯片，为直流无刷电机、永磁同步电机、2相步进电机、直流有刷电机和音圈电机提供磁场定向控制。

所有的控制功能都被集成在硬件上。集成了ADCs、位置传感器接口、位置差值器，该款功能齐全的伺服控制器，适用于各种伺服应用。

那接下来我们就来看看，BLDC的实际应用场景。

4、BLDC的实际应用

1、静音散热风扇风冷是很多设备散热的首选。

例如市面上很多主打“静音”的机箱，如果是使用风冷，里面的散热风扇基本都是使用BLDC。

用来给笔记本电脑散热的底座也常用BLDC，除此之外，一些大型的通风散热系统里面，使用的也是BLDC风扇。

还有高速风筒之类的产品。

2、多轴无人机较大功率使用的都是BLDC，适配上合适的电调(ESC)，再使用PWM来控制BLDC调速是非常方便的。

3、电动工具之类的产品，比如电批，国内生产的电扳手基本上都使用了BLDC，还有大部分的手电钻也一样。

主要是因为BLDC的高效率，而使得电池供电的电动工具续航时间更长。还有一点是无刷电机的扭矩输出非常稳定。

还有冰箱压缩机，冰柜冷却风机，以及近几年很火的空气净化器、吸尘器/扫地机器人、筋膜枪等，大部分使用的都是BLDC驱动。

审核编辑：汤梓红

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