直流無(wú)刷電機（BLDC）基礎知識---TMC4671-LA

提到直流無(wú)刷電機，那不得不提的就是有刷電機了。有刷電機有一個(gè)比較令人討厭的缺點(diǎn)：那就是“吵”。

因為電刷和換向環(huán)需要時(shí)刻不停地摩擦，才能給電樞供電。

所以，如果你想要一個(gè)“靜音風(fēng)扇”的話(huà)，肯定不能選使用了有刷電機的產(chǎn)品。

并且電刷使用時(shí)間久了，比較容易損壞。電流較大的時(shí)候，你甚至可以看到電刷在換向的時(shí)候噼里啪啦地冒火花。

而這些缺點(diǎn)，在下面將要介紹的直流無(wú)刷電機（Brushless DC Motor）里，一樣都沒(méi)有！

我們將從以下四個(gè)方面來(lái)給大家介紹直流無(wú)刷電機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)BLDC）：

1，BLDC的優(yōu)缺點(diǎn)；

2，BLDC的工作原理；

3，BLDC的控制方式；

4，BLDC的實(shí)際使用。

1、BLDC的優(yōu)缺點(diǎn) 

直流無(wú)刷電機，從字面上看，其最大的特點(diǎn)，就是“無(wú)刷”，也就是沒(méi)有電刷的意思。

就因為沒(méi)有電刷，它非常完美地避開(kāi)了有刷電機的那幾個(gè)缺點(diǎn)。所以反過(guò)來(lái)說(shuō)，它主要的優(yōu)點(diǎn)就是：

1，壽命長(cháng)；2，能夠做到靜音；3，效率高（損耗低）；4，體積較??；5，穩定性高。

1.無(wú)刷直流電機運行的速度范圍比較寬泛，在任意的速度下，都可以全功率運行。

2.過(guò)載能力突出，運行效率高。

3.無(wú)刷直流電機相對于有刷電機來(lái)說(shuō)，體積更小，適用范圍更廣，功率密度較高。

4.和異步電機的驅動(dòng)控制相比，驅動(dòng)更加簡(jiǎn)單化。

5.無(wú)刷直流電機沒(méi)有機械換向器結構，里面封閉，可以避免飛塵顆粒進(jìn)入電機內部，導致出現各種各樣的毛病，可靠性高。

6.外特性較好，低速運行，可輸出大轉矩，可以提供比較大的啟動(dòng)轉矩。

2、 BLDC的工作原理 

BLDC是電機的一種，所以它最基本的構成也離不開(kāi)定子（stator）和轉子（rotor）。

有刷電機的定子是永磁體，而它的轉子，則是通電的線(xiàn)圈（繞組）。如下圖：

但是對于BLDC來(lái)說(shuō)，情況恰恰相反！

BLDC的定子（stator）是通電的線(xiàn)圈，而轉子（rotor）卻是永磁體！

 從“麥克斯韋-安培定律”可以知道，通電線(xiàn)圈附近的空間會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。而磁場(chǎng)的分布方向，我們可以用“右手定則”得出。如下圖：

其實(shí)這就是我們常說(shuō)的“電磁鐵”了！

那么接下來(lái)的事情就簡(jiǎn)單了，磁鐵的特性是什么？

同性相斥，異性相吸！

所以，我們只要給定子上的線(xiàn)圈接入方向適當的電流，

即讓電磁鐵的磁極方向和永磁體的磁極方向正好對應，不就能排斥、或者吸引轉子做旋轉運動(dòng)了。

 上圖就是按順序單獨給線(xiàn)圈通電，使其朝向轉子的方向為電磁鐵的S極，吸引轉子順時(shí)針?lè )较蛐D。

定子的優(yōu)化

以上的驅動(dòng)方式，即按順序單獨給每個(gè)線(xiàn)圈通電，雖然可行，但是未免太過(guò)繁瑣，效率低下。

因此，實(shí)際上的BLDC會(huì )將那六個(gè)線(xiàn)圈兩兩組合，分成A，B，C三個(gè)繞組，如下圖：

 這樣我們就可以同時(shí)驅動(dòng)兩個(gè)電磁鐵了，效率立馬提高了一倍。
但是這還只是用了磁鐵“吸引”的特性，別忘了磁鐵還有“排斥”的特性。

如果我們再同時(shí)驅動(dòng)另外一組線(xiàn)圈，讓上一組線(xiàn)圈“吸引”轉子的時(shí)候，另外一組線(xiàn)圈“排斥”轉子，那么我們的轉子將會(huì )獲得更高的驅動(dòng)力！

如下圖：

 到目前為止，這個(gè)模型已經(jīng)開(kāi)始接近實(shí)際的BLDC產(chǎn)品了。
但是對于上面的模型，

我們需要給兩個(gè)繞組同時(shí)提供方向相反的兩組電源，才能同時(shí)達到“吸引”和“排斥”的效果。

這對于實(shí)際應用來(lái)講，未免過(guò)于復雜，成本也太高。

接下來(lái)我們要講的“BLDC的控制方式”，將會(huì )解決上面這個(gè)問(wèn)題。

3、BLDC的控制方式 

原來(lái)的A,B,C三個(gè)繞組是各自獨立的，因此控制起來(lái)非常麻煩。

那如果我們把A,B,C三個(gè)繞組接在一起，拼成一個(gè)“星形連接（star arrangement）”，結果會(huì )是怎么樣？

 本來(lái)三個(gè)繞組，引出六根線(xiàn)；現在引出的線(xiàn)減少到只有三根線(xiàn)，那么這么接怎么實(shí)現跟六根線(xiàn)一樣的控制效果呢？

如下圖：

 電源正極接在右上角的A繞組輸入，而電源的負極接在了左下角的B繞組輸出。

這個(gè)時(shí)候A繞組和B繞組同時(shí)被驅動(dòng)，而且其極性正好相反，實(shí)現了三個(gè)繞組獨立驅動(dòng)時(shí)一樣的效果！
所以只要按照這個(gè)順序：AB-AC-BC-BA-CA-CB，這六個(gè)節拍，依次循環(huán)驅動(dòng)定子的繞組，轉子就能一直旋轉下去！

可以使用六個(gè)電子開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現這六個(gè)節拍的驅動(dòng)，如下圖：

  位置檢測 

我們雖然已經(jīng)知道了控制轉子的六個(gè)節拍的方法。

但是你有沒(méi)有發(fā)現一個(gè)新的問(wèn)題：如果不知道轉子的位置，如何知道何時(shí)該驅動(dòng)哪個(gè)繞組？

所以我們必須要知道轉子的當前位置！

而轉子的位置檢測，一般有兩種方式：

1，霍爾傳感器檢測法；

如下圖，在定子里放上H1,H2,H3，三個(gè)霍爾傳感器，就可以知道當前的定子的確切位置。

 霍爾傳感器的輸出用高低電平來(lái)表示：

 2，反向電動(dòng)勢檢測法

反向電動(dòng)勢（Back EMF）檢測法是基于電磁感應原理：

當沒(méi)有通電的繞組周?chē)拇艌?chǎng)（磁通量）改變時(shí)，會(huì )在這個(gè)繞組上感應出一個(gè)電動(dòng)勢，

我們只要檢測這個(gè)電動(dòng)勢的大小和方向，也能知道當前定子的位置。

 這兩種檢測方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：

霍爾傳感器檢測精度更高一點(diǎn)，但是成本也較高；

相反，反向電動(dòng)勢檢測法經(jīng)濟性更好，但是精度稍低。

內轉子 or 外轉子 
BLDC有兩種結構：轉子在內的叫做內轉子BLDC；相反，轉子在外的叫做外轉子BLDC。

 相對來(lái)說(shuō)，外轉子BLDC應用更多一點(diǎn)。

主要原因是外轉子BLDC在機械結構上更穩定。這是因為電機轉子在高速運行下，由于離心力的作用，會(huì )有向外擴張的趨勢。

所以?xún)绒D子BLDC需要非常高的機械精度，保證轉子和定子不會(huì )打架。

但是如果預留的距離太遠，又會(huì )導致漏磁而影響電機的整體效率。

但是在外轉子BLDC上卻沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因為外轉子天然不受擴張影響。

BLDC的缺點(diǎn)

我們現在再回到前面遺留下的問(wèn)題：BLDC的缺點(diǎn)是什么？

相信你已經(jīng)猜到：我們花了那么多的篇幅來(lái)講BLDC的控制方式，足以看到其控制的難度，相對于有刷電機來(lái)說(shuō)，是高出了不少的！

所以說(shuō)BLDC最大的缺點(diǎn)，就是他的控制難度高，驅動(dòng)電調（Electronic Speed Control，簡(jiǎn)稱(chēng)ESC）價(jià)格較高。

它還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是BLDC由于感抗的原因，啟動(dòng)時(shí)會(huì )伴隨著(zhù)抖動(dòng)，不像有刷電機的啟動(dòng)那么平穩。

目前主流的無(wú)刷電機控制方式有如下三種：

1、方波控制：

也稱(chēng)為梯形波控制、120°控制、6步換向控制

方波控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制算法簡(jiǎn)單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機轉速；

缺點(diǎn)是轉矩波動(dòng)大、存在一定的電流噪聲、效率達不到最大值。方波控制適用于對電機轉動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合。

方波控制使用霍爾傳感器或者無(wú)感估算算法獲得電機轉子的位置，然后根據轉子的位置在360°的電氣周期內，進(jìn)行6次換向（每60°換向一次）。

每個(gè)換向位置電機輸出特定方向的力，因此可以說(shuō)方波控制的位置精度是電氣60°。

由于在這種方式控制下，電機的相電流波形接近方波，所以稱(chēng)為方波控制。

2、正弦波控制：

正弦波控制方式使用的是SVPWM波，輸出的是3相正弦波電壓，相應的電流也是正弦波電流。

這種方式?jīng)]有方波控制換向的概念，或者認為一個(gè)電氣周期內進(jìn)行了無(wú)限多次的換向。

顯然，正弦波控制相比方波控制，其轉矩波動(dòng)較小，電流諧波少，控制起來(lái)感覺(jué)比較“細膩”，但是對控制器的性能要求稍高于方波控制，而且電機效率不能發(fā)揮到最大值。

3、FOC控制

又稱(chēng)為矢量變頻、磁場(chǎng)矢量定向控制

正弦波控制實(shí)現了電壓矢量的控制，間接實(shí)現了電流大小的控制，但是無(wú)法控制電流的方向。

FOC控制方式可以認為是正弦波控制的升級版本，實(shí)現了電流矢量的控制，也即實(shí)現了電機定子磁場(chǎng)的矢量控制。

由于控制了電機定子磁場(chǎng)的方向，所以可以使電機定子磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)時(shí)刻保持在90°，實(shí)現一定電流下的最大轉矩輸出。

FOC控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：轉矩波動(dòng)小、效率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)響應快；

缺點(diǎn)是：硬件成本較高、對控制器性能有較高要求，電機參數需匹配。

FOC是目前無(wú)刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）高效控制的最佳選擇。

FOC精確地控制磁場(chǎng)大小與方向，使得電機轉矩平穩、噪聲小、效率高，并且具有高速的動(dòng)態(tài)響應。

由于FOC的優(yōu)勢明顯，目前很多公司已在眾多應用上逐步用FOC替代傳統產(chǎn)品的控制方式。

德國Trinamic有一款帶有磁場(chǎng)矢量控制（FOC）的伺服控制芯片---TMC4671-LA

- 轉矩控制模式

- 速度控制模式

- 位置控制模式

- 電流控制刷新頻率和最大的PWM頻率為100KHz (速度和位置控制的刷新頻率可以根據當前電流刷新頻率的倍數配置)

TMC4671是一款完全集成伺服控制芯片，為直流無(wú)刷電機、永磁同步電機、2相步進(jìn)電機、直流有刷電機和音圈電機提供磁場(chǎng)定向控制。

所有的控制功能都被集成在硬件上。集成了ADCs、位置傳感器接口、位置差值器，該款功能齊全的伺服控制器，適用于各種伺服應用。

那接下來(lái)我們就來(lái)看看，BLDC的實(shí)際應用場(chǎng)景。

4、BLDC的實(shí)際應用

1、靜音散熱風(fēng)扇風(fēng)冷是很多設備散熱的首選。

例如市面上很多主打“靜音”的機箱，如果是使用風(fēng)冷，里面的散熱風(fēng)扇基本都是使用BLDC。

用來(lái)給筆記本電腦散熱的底座也常用BLDC，除此之外，一些大型的通風(fēng)散熱系統里面，使用的也是BLDC風(fēng)扇。

還有高速風(fēng)筒之類(lèi)的產(chǎn)品。

2、多軸無(wú)人機較大功率使用的都是BLDC，適配上合適的電調（ESC），再使用PWM來(lái)控制BLDC調速是非常方便的。

3、電動(dòng)工具之類(lèi)的產(chǎn)品，比如電批，國內生產(chǎn)的電扳手基本上都使用了BLDC，還有大部分的手電鉆也一樣。

主要是因為BLDC的高效率，而使得電池供電的電動(dòng)工具續航時(shí)間更長(cháng)。還有一點(diǎn)是無(wú)刷電機的扭矩輸出非常穩定。

還有冰箱壓縮機，冰柜冷卻風(fēng)機，以及近幾年很火的空氣凈化器、吸塵器/掃地機器人、筋膜槍等，大部分使用的都是BLDC驅動(dòng)。