直流無刷電機（BLDC）基礎知識---TMC4671-LA

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。

并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，在下面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范圍比較寬泛，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.無刷直流電機相對于有刷電機來說，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，里面封閉，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）。

有刷電機的定子是永磁體，而它的轉子，則是通電的線圈（繞組）。如下圖：

但是對于BLDC來說，情況恰恰相反！

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

 從“麥克斯韋-安培定律”可以知道，通電線圈附近的空間會產生磁場。而磁場的分布方向，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！

那么接下來的事情就簡單了，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，那么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。
但是對于上面的模型，

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。

這對于實際應用來講，未免過于復雜，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）”，結果會是怎么樣？

 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，那么這么接怎么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，依次循環驅動定子的繞組，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，霍爾傳感器檢測法；

如下圖，在定子里放上H1,H2,H3，三個霍爾傳感器，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表示：

 2，反向電動勢檢測法

反向電動勢（Back EMF）檢測法是基于電磁感應原理：

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：

霍爾傳感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，由于離心力的作用，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的缺點是什么？

相信你已經猜到：我們花了那么多的篇幅來講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由于感抗的原因，啟動時會伴隨著抖動，不像有刷電機的啟動那么平穩。

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算法簡單、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；

缺點是轉矩波動大、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性能要求不高的場合。

方波控制使用霍爾傳感器或者無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°。

由于在這種方式控制下，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于方波控制，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。

由于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、噪聲小、動態響應快；

缺點是：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、噪聲小、效率高，并且具有高速的動態響應。

由于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，里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里面，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，還有大部分的手電鉆也一樣。

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，冰柜冷卻風機，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。