标签: 直流无刷电机

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。 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： 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！ 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： 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。 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： 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： 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？ 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： 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： 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。 霍尔传感器的输出用高低电平来表示： 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。 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。 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。 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 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。

最近国家对节能型家用电器进行绿色节能补贴，包括空调、冰箱、洗衣机、小家电、彩电等在内的产品都有400-600元的直补，直接给企业，可谓诱惑不小。   上述家用电器的电能消耗70%都是耗费在电动机上，特别是空调、冰箱、洗衣机、小家电等，电动机成了耗能大户，所以格力、美的等竞相推出变频空调、变频压缩机等，宣称节电30%、50%等等，其实现节电的源头就是将普通低效率的交流感应电机或直流有刷电机改用高效率的 直流无刷电机 。所以只要简单的将家电产品上的电动机更换为直流无刷电机，即可实现明显的电能节省，轻松与国家的绿色节能补贴政策接轨了。   但 无刷直流电机 相比于交流感应电机和有刷电机，价格太高，一般是十到二十倍的价格，令广大家电厂家望而却步。其实 无刷电机 的高昂价格皆来自于没有行业产品标准，大多采用定制化的方式做无刷电机，从零部件制造到电机装配都没有实现通用标准化，成本当然高了。   深圳市恒驱电机有限公司 在国内首次基于通用、标准、互换的原则设计和制造直流无刷电机，通过零部件的通用标准互换、驱动电路的通用标准化、制造装配工艺的标准化，大大降低了零部件成本、提供了生产效率，从而整体降低的整个直流无刷电机的成本和价格。此外，还将驱动电路集成化、微型化，集成到了电机内部，做成 内置无刷电机驱动器 ，设计了6pin接口，可分别提供PWM驱动、转向控制、反馈、运行控制等全方位的功能，大大提高的直流无刷电机的标准化，使用者更容易安装和使用。   相信高品质、高可靠性、长寿命、低噪音、低电磁干扰并且低成本价格的通用标准型直流无刷电机将逐步取代现在广泛使用的交流感应电机、罩极电机、串激电机、有刷直流电机，为推进国家绿色节能工程贡献巨大的力量。