直流無刷電機(BLDC)基礎知識---TMC4671-LA

来源:https://www.cnblogs.com/xing2/archive/2022/09/22/16720346.html
-Advertisement-
Play Games

提到直流無刷電機,那不得不提的就是有刷電機了。有刷電機有一個比較令人討厭的缺點:那就是“吵”。 因為電刷和換向環需要時刻不停地摩擦,才能給電樞供電。 所以,如果你想要一個“靜音風扇”的話,肯定不能選使用了有刷電機的產品。 並且電刷使用時間久了,比較容易損壞。電流較大的時候,你甚至可以看到電刷在換向的 ...


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

因為電刷和換向環需要時刻不停地摩擦,才能給電樞供電。

所以,如果你想要一個“靜音風扇”的話,肯定不能選使用了有刷電機的產品。

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

而這些缺點,在下麵將要介紹的直流無刷電機(Brushless DC Motor)里,一樣都沒有!

 

我們將從以下四個方面來給大家介紹直流無刷電機(以下簡稱BLDC):

1,BLDC的優缺點;

2,BLDC的工作原理;

3,BLDC的控制方式;

4,BLDC的實際使用。

 

1、BLDC的優缺點 

直流無刷電機,從字面上看,其最大的特點,就是“無刷”,也就是沒有電刷的意思。

就因為沒有電刷,它非常完美地避開了有刷電機的那幾個缺點。所以反過來說,它主要的優點就是:

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

1.無刷直流電機運行的速度範圍比較寬泛,在任意的速度下,都可以全功率運行。

2.過載能力突出,運行效率高。

3.無刷直流電機相對於有刷電機來說,體積更小,適用範圍更廣,功率密度較高。

4.和非同步電機的驅動控制相比,驅動更加簡單化。

5.無刷直流電機沒有機械換向器結構,裡面封閉,可以避免飛塵顆粒進入電機內部,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定子(stator)和轉子(rotor)。

有刷電機的定子永磁體,而它的轉子,則是通電的線圈(繞組)。如下圖:

 

 

 

但是對於BLDC來說,情況恰恰相反

BLDC的定子(stator)是通電的線圈,轉子(rotor)卻是永磁體!

 

 

 從“麥克斯韋-安培定律”可以知道,通電線圈附近的空間會產生磁場。而磁場的分佈方向,我們可以用“右手定則”得出。如下圖:

其實這就是我們常說的“電磁鐵”了!

那麼接下來的事情就簡單了,磁鐵的特性是什麼?

同性相斥,異性相吸!

所以,我們只要給定子上的線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了。

 

 

 上圖就是按順序單獨給線圈通電,使其朝向轉子的方向為電磁鐵的S極,吸引轉子順時針方向旋轉。

 

定子的優化

以上的驅動方式,即按順序單獨給每個線圈通電,雖然可行,但是未免太過繁瑣,效率低下。

因此,實際上的BLDC會將那六個線圈兩兩組合,分成A,B,C三個繞組,如下圖:

 

 

 這樣我們就可以同時驅動兩個電磁鐵了,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。

如果我們再同時驅動另外一組線圈,讓上一組線圈“吸引”轉子的時候,另外一組線圈“排斥”轉子,那麼我們的轉子將會獲得更高的驅動力

如下圖:

 

 

 到目前為止,這個模型已經開始接近實際的BLDC產品了。
但是對於上面的模型,

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

這對於實際應用來講,未免過於複雜,成本也太高。

接下來我們要講的“BLDC的控制方式”,將會解決上面這個問題。

 

3、BLDC的控制方式 

原來的A,B,C三個繞組是各自獨立的,因此控制起來非常麻煩。

那如果我們把A,B,C三個繞組接在一起,拼成一個“星形連接(star arrangement)”,結果會是怎麼樣?

 

 

 本來三個繞組,引出六根線;現在引出的線減少到只有三根線,那麼這麼接怎麼實現跟六根線一樣的控制效果呢?

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。

這個時候A繞組和B繞組同時被驅動,而且其極性正好相反,實現了三個繞組獨立驅動時一樣的效果!
所以只要按照這個順序:AB-AC-BC-BA-CA-CB,這六個節拍,依次迴圈驅動定子的繞組,轉子就能一直旋轉下去!

可以使用六個電子開關來實現這六個節拍的驅動,如下圖:

 

 

  位置檢測 

我們雖然已經知道了控制轉子的六個節拍的方法。

但是你有沒有發現一個新的問題:如果不知道轉子的位置,如何知道何時該驅動哪個繞組?

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,霍爾感測器檢測法;

如下圖,在定子里放上H1,H2,H3,三個霍爾感測器,就可以知道當前的定子的確切位置。

 

 

 霍爾感測器的輸出用高低電平來表示:

 

 

 2,反向電動勢檢測法

反向電動勢(Back EMF)檢測法是基於電磁感應原理:

當沒有通電的繞組周圍的磁場(磁通量)改變時,會在這個繞組上感應出一個電動勢,

我們只要檢測這個電動勢的大小和方向,也能知道當前定子的位置。

 

 

 這兩種檢測方式各有優缺點:

霍爾感測器檢測精度更高一點,但是成本也較高;

相反,反向電動勢檢測法經濟性更好,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

 

 相對來說,外轉子BLDC應用更多一點

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,由於離心力的作用,會有向外擴張的趨勢。

所以內轉子BLDC需要非常高的機械精度,保證轉子和定子不會打架。

但是如果預留的距離太遠,又會導致漏磁而影響電機的整體效率。

但是在外轉子BLDC上卻沒有這個問題,因為外轉子天然不受擴張影響。

 

BLDC的缺點

我們現在再回到前面遺留下的問題:BLDC的缺點是什麼?

相信你已經猜到:我們花了那麼多的篇幅來講BLDC的控制方式,足以看到其控制的難度,相對於有刷電機來說,是高出了不少的!

所以說BLDC最大的缺點,就是他的控制難度高,驅動電調(Electronic Speed Control,簡稱ESC)價格較高

它還有一個缺點,就是BLDC由於感抗的原因,啟動時會伴隨著抖動,不像有刷電機的啟動那麼平穩。

目前主流的無刷電機控制方式有如下三種:

1、方波控制:

也稱為梯形波控制、120°控制、6步換向控制

方波控制方式的優點是控制演算法簡單、硬體成本較低,使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機轉速;

缺點是轉矩波動大、存在一定的電流雜訊、效率達不到最大值。方波控制適用於對電機轉動性能要求不高的場合。

方波控制使用霍爾感測器或者無感估算演算法獲得電機轉子的位置,然後根據轉子的位置在360°的電氣周期內,進行6次換向(每60°換向一次)。

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

由於在這種方式控制下,電機的相電流波形接近方波,所以稱為方波控制。

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。

這種方式沒有方波控制換向的概念,或者認為一個電氣周期內進行了無限多次的換向。

顯然,正弦波控制相比方波控制,其轉矩波動較小,電流諧波少,控制起來感覺比較“細膩”,但是對控制器的性能要求稍高於方波控制,而且電機效率不能發揮到最大值。

3、FOC控制

又稱為矢量變頻、磁場矢量定向控制

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

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

由於控制了電機定子磁場的方向,所以可以使電機定子磁場與轉子磁場時刻保持在90°,實現一定電流下的最大轉矩輸出。

FOC控制方式的優點是:轉矩波動小、效率高、雜訊小、動態響應快;

缺點是:硬體成本較高、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精確地控制磁場大小與方向,使得電機轉矩平穩、雜訊小、效率高,並且具有高速的動態響應。

由於FOC的優勢明顯,目前很多公司已在眾多應用上逐步用FOC替代傳統產品的控制方式。

德國Trinamic有一款帶有磁場矢量控制(FOC)的伺服控制晶元---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晶元,為直流無刷電機、永磁同步電機、2相步進電機、直流有刷電機和音圈電機提供磁場定向控制。

所有的控制功能都被集成在硬體上。集成了ADCs、位置感測器介面、位置差值器,該款功能齊全的伺服控制器,適用於各種伺服應用。

 

那接下來我們就來看看,BLDC的實際應用場景。

4、BLDC的實際應用

1、靜音散熱風扇風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,如果是使用風冷,裡面的散熱風扇基本都是使用BLDC。

用來給筆記本電腦散熱的底座也常用BLDC,除此之外,一些大型的通風散熱系統裡面,使用的也是BLDC風扇。

還有高速風筒之類的產品。

2、多軸無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來控制BLDC調速是非常方便的。

3、電動工具之類的產品,比如電批,國內生產的電扳手基本上都使用了BLDC,還有大部分的手電筒鑽也一樣。

主要是因為BLDC的高效率,而使得電池供電的電動工具續航時間更長。還有一點是無刷電機的扭矩輸出非常穩定。

還有冰箱壓縮機,冰櫃冷卻風機,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。

 

 


您的分享是我們最大的動力!

-Advertisement-
Play Games
更多相關文章
  • “為什麼加索引能提升查詢效率”! 我們都認為“加索引”提升查詢效率是理所應當的 竟然還有理由? 該怎麼回答呢? 大家好,我是Mic,一個工作了14年的Java程式員 下麵分析一下這個問題的考察點 考察目標 這是一道原理性的問題,考察求職者對於Mysql中索引的實現原理的理解程度。 一般情況下,考察3 ...
  • 摘要:java中一切都是對象,為什麼int不用創建對象實例化,而可以直接使用? 本文分享自華為雲社區《【Java】對基本類型-整型數據結構的認識》,作者: huahua.Dr 。 整型數據類型有兩個:基本類型和引用類型(包裝類) 整數型基本類型:byte,int,short,long 其引用類型:B ...
  • 一、插入排序 1、直接插入排序 基本思想:類似抓撲克牌,待排序元素在已排序的序列中從後往前遍歷,遇到小於他的元素向後移一位,直至遇到小於或等於他的元素,在其後插入即可 2、希爾排序(是對直接插入排序的一種改進) 二、交換排序 1、冒泡排序 基本思想:相鄰的兩個元素進行兩兩比較,如果出現逆序,則小的元 ...
  • 前言 本次案例最終實現效果 開發環境 python 3.8: 解釋器 pycharm: 代碼編輯器 界面代碼實現 先導入所需模塊 import tkinter as tk from tkinter import ttk import tkinter.messagebox 創建視窗 root = tk ...
  • 一:背景 1. 講故事 其實這個問題是前段時間有位朋友咨詢我的,由於問題說的比較泛,不便作答,但想想梳理一下還是能回答一些的,這篇就來聊一聊下麵這幾個鎖。 Interlocked AutoResetEvent / ManualResetEvent Semaphore 用戶態層面我就不想說了,網上一搜 ...
  • .NET運行時之書(Book of the Runtime,簡稱BotR)是一系列描述.NET運行時的文檔,2007年左右在微軟內部創建,最初的目的為了幫助其新員工快速上手.NET運行時;隨著.NET開源,BotR也被公開了出來,如果你想深入理解CLR,這系列文章你不可錯過。 BotR系列目錄: [ ...
  • 從頭一二去閱讀語法和命令說明,對於腳本小白來說比較枯燥,難以堅持,所以這裡選擇對一份完整的shell腳本代碼來逐行逐段解讀,希望可以一渡小白,幫助我們快速進入腳本的大門^_^ ...
  • 版本控制gitlab 什麼是版本控制gitlab GitLab 是一個用於倉庫管理系統的開源項目,使用Git作為代碼管理工具,併在此基礎上搭建起來的Web服務。安裝方法是參考GitLab在GitHub上的Wiki頁面。Gitlab是目前被廣泛使用的基於git的開源代碼管理平臺, 基於Ruby on ...
一周排行
    -Advertisement-
    Play Games
  • Timer是什麼 Timer 是一種用於創建定期粒度行為的機制。 與標準的 .NET System.Threading.Timer 類相似,Orleans 的 Timer 允許在一段時間後執行特定的操作,或者在特定的時間間隔內重覆執行操作。 它在分散式系統中具有重要作用,特別是在處理需要周期性執行的 ...
  • 前言 相信很多做WPF開發的小伙伴都遇到過表格類的需求,雖然現有的Grid控制項也能實現,但是使用起來的體驗感並不好,比如要實現一個Excel中的表格效果,估計你能想到的第一個方法就是套Border控制項,用這種方法你需要控制每個Border的邊框,並且在一堆Bordr中找到Grid.Row,Grid. ...
  • .NET C#程式啟動閃退,目錄導致的問題 這是第2次踩這個坑了,很小的編程細節,容易忽略,所以寫個博客,分享給大家。 1.第一次坑:是windows 系統把程式運行成服務,找不到配置文件,原因是以服務運行它的工作目錄是在C:\Windows\System32 2.本次坑:WPF桌面程式通過註冊表設 ...
  • 在分散式系統中,數據的持久化是至關重要的一環。 Orleans 7 引入了強大的持久化功能,使得在分散式環境下管理數據變得更加輕鬆和可靠。 本文將介紹什麼是 Orleans 7 的持久化,如何設置它以及相應的代碼示例。 什麼是 Orleans 7 的持久化? Orleans 7 的持久化是指將 Or ...
  • 前言 .NET Feature Management 是一個用於管理應用程式功能的庫,它可以幫助開發人員在應用程式中輕鬆地添加、移除和管理功能。使用 Feature Management,開發人員可以根據不同用戶、環境或其他條件來動態地控制應用程式中的功能。這使得開發人員可以更靈活地管理應用程式的功 ...
  • 在 WPF 應用程式中,拖放操作是實現用戶交互的重要組成部分。通過拖放操作,用戶可以輕鬆地將數據從一個位置移動到另一個位置,或者將控制項從一個容器移動到另一個容器。然而,WPF 中預設的拖放操作可能並不是那麼好用。為瞭解決這個問題,我們可以自定義一個 Panel 來實現更簡單的拖拽操作。 自定義 Pa ...
  • 在實際使用中,由於涉及到不同編程語言之間互相調用,導致C++ 中的OpenCV與C#中的OpenCvSharp 圖像數據在不同編程語言之間難以有效傳遞。在本文中我們將結合OpenCvSharp源碼實現原理,探究兩種數據之間的通信方式。 ...
  • 一、前言 這是一篇搭建許可權管理系統的系列文章。 隨著網路的發展,信息安全對應任何企業來說都越發的重要,而本系列文章將和大家一起一步一步搭建一個全新的許可權管理系統。 說明:由於搭建一個全新的項目過於繁瑣,所有作者將挑選核心代碼和核心思路進行分享。 二、技術選擇 三、開始設計 1、自主搭建vue前端和. ...
  • Csharper中的表達式樹 這節課來瞭解一下表示式樹是什麼? 在C#中,表達式樹是一種數據結構,它可以表示一些代碼塊,如Lambda表達式或查詢表達式。表達式樹使你能夠查看和操作數據,就像你可以查看和操作代碼一樣。它們通常用於創建動態查詢和解析表達式。 一、認識表達式樹 為什麼要這樣說?它和委托有 ...
  • 在使用Django等框架來操作MySQL時,實際上底層還是通過Python來操作的,首先需要安裝一個驅動程式,在Python3中,驅動程式有多種選擇,比如有pymysql以及mysqlclient等。使用pip命令安裝mysqlclient失敗應如何解決? 安裝的python版本說明 機器同時安裝了 ...