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
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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。

 

 


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