标签: 步进电机

内容主要来自TMC5160数据手册，个人的理解简单做下笔记： TMC5160做为驱动芯片，单片机作为控制器，控制一个或多个5160； 站在应用的角度去分析，不涉及过多电子方面； ​ 编辑 切换为居中 添加图片注释，不超过 140 字（可选） TMC5160是高功率步进电机控制器和驱动IC，有串行通信接口（SPI和UART）。 它结合用于与产业最先进的步进电机驱动器自动目标定位柔性斜坡发生器。使用外部晶体管，高动态，高转矩的驱动器得以实现。 基于Trinamic的复杂SpreadCycle™（高精度斩波算法）和StealthChop™技术，可以确保绝对无噪音的操作以最高的效率和最佳的电机扭矩相结合。 高集成度，高能源效率和小外形启用小型化和成本效益的解决方案可扩展的系统。完整的解决方案降低学习曲线降到最低，同时给予类最佳性能。 0.1 特点和优势 以下是该芯片的核心内容： 高达 20A 线圈电流的两相步进电机(外部 MOSFETs ) 支持 sixPoint™的运动控制器（六点斜坡加减速/梯形加减速） 支持microPlyer™微步插值功能的的步进/方向接口 电压范围 8…60V 直流 SPI 和单线 UART 编码器接口和 2个参考开关输入 最高256 微步细分 stealthChop2™斩波模式，安静平滑的运行 电机中速运行的共振衰减 spreadCycle™ 高动态电机控制斩波器 dcStep™ 负载相关关速度控制 stallGuard2™ 高精度的无传感器负载检测 coolStep™ 电流控制，能量能减少 75% 被动制动和空转模式 全面保护和诊断 1. 操作原则 TMC 5160提供三种基本操作模式: 模式1 :全功能运动控制和驱动器 所有步进电机逻辑完全在 TMC5160 内。不需要软件来控制电机，只需提供目标位置。 SD_ MODE 接地使能此模式 模式 2 :脉冲和方向驱动器 像 TMC 4361 这样的外部高性能 S-ramp 运动控制器或 CPU 产生与系统内其他部件（如电机）同步的脉冲和方向信号。TMC5160 控制电流和运动模式，并反馈电机状态。microPlyer 自动平滑运动。SD _ MODE 接高电平使能此模式。 模式3 :简单的步进和方向驱动器 TMC 5160根据步进和方向信号控制电机。microPlyer自动平滑运动。不需CPU； 配置由硬件引脚完成。静止保持电流控制由TMC 5160完成。可选的反馈信号作为错误检测和同步标志的输出。 SPI_MODE接地，SD_MOD接高电平使能此模式 ​ 编辑 切换为居中 添加图片注释，不超过 140 字（可选） 1.1 关键概念 TMC 5160实现了TRINAMIC产品独有的高级功能。这些特征在许多步进电机应用有效的提高了精度、能效、可靠性、平滑性和能耗。 stealthChop2™ 无噪声、高精度斩波算法，用于电机的静止和运动状态下的静音控制。 stealthChop2在stealthChop 的基础上，加快了电机运动加减速特性，降低的所需的电流最小值。（spreadCycle的加强版静音模式） spreadCycle™ 高精度斩波算法，用于高动态电机运动和产生绝对干净的电流波。低噪音、低共振和低振动斩波器。(正常模式) dcStep™ 负载相关速度控制。电机尽可能快地移动，不失步。 stallGuard2™ 无传感器堵转检测和机械负载测量。 coolStep™ 根据负载自适应电流，可将能耗降低 75 %。 microPlyer™ 细分内插器，用于从全步开始，以较低分辨率步长输入获得全 256 微步的平滑度（平滑模式） 除了这些性能增强之外，TRINAMIC电机驱动器还提供了检测和防止短路输出、输出开路、过热和欠压情况的保障措施，以增强安全性和故障恢复。 1.2 静止态自动降电流 ​ 编辑 切换为居中 添加图片注释，不超过 140 字（可选） 1.3 stealthChop2 & spreadCycle 驱动 stealthChop 基于电压斩波器的原理。除了电机机械滚轮轴承产生的噪音，它特别保证了电机在静止和慢动作时绝对安静。 不同于其他电压模式斩波器，stealthChop2 不需要任何配置。通电后，它会在第一次运动中自动学习最佳设置，并进一步优化后续运动中的设置。 初始的归零过程足以使系统完成stealthChop 最佳配置。也可以选择，通过接口预先配置初始学习参数stealthChop2 通过对电机速度的变化立即做出反应，允许高的电机动态。 对于高动态的应用，spreadCycle是除stealthChop2之外的选项。它可以通过输入引脚(独立模式)或SPI或UART接口配置。 stealthChop2和spreadCycle甚至可以结合使用，以达到两者的最佳效果： stealthChop2用于无噪音的静止状态，无声平滑的性能， spreadCycle用于高动态，低振动和最高的峰值速度。 spreadCycle方案自动集成和调节快衰减周期，以保证平滑过零性能。 stealthChop2 优势: - 显著改善了低成本电机微步性能 电机运行平稳安静 绝对没有待机噪音 降低机械共振产生改善的扭矩 总结：spreadCycle是周期斩波模式。它在很宽的速度和负载范围内提供平稳的操作和良好的共振阻尼。 stealthChop2就更厉害了，亲测，确实可以降低运行噪音； 深圳市卓联微科技 曹工-TMC电机驱动芯片-卓联微

微步进真的那么好吗？ 步进电机常被用于定位，它们性价比高、易于驱动，可用于开环系统，且无需像伺服电机那样提供位置反馈，因此非常适用于小型工业机器，例如激光雕刻机、3D 打印机和激光打印机等办公设备。 同时， 步进电机 的品种也非常繁多。对于 工业应用 来说，每转 200 步的两相混合式步进 电机 最为常见。这里的 “混合” 是指它利用永磁体和带齿铁转子的工作方式（例如可变磁阻电机），而 “200 步” 则指电机每步移动 1.8°，该步数为转子和定子上齿数的函数。 本文将聚焦这种最为常见的两相混合式步进电机进行阐述。图 1 即为典型的两相混合式电机。 图 1：典型的两相混合式步进电机 微步进 步进电机的步进值可以设置为小于整步，称为微步进。它通过调节绕组电流来实现，使转子可以定位于整步之间。设计人员几乎可以定义任何大小的微步进，因为其步进值仅受制于驱动绕组电流的数模 转换器 (DAC) 和放大器的分辨率，所以1/256 分辨率，甚至 1/1024 分辨率都很常见。 然而，实际上对大多数的机械系统来说，这种精细的微步进并不总能提高定位精度，还有很多其他因素都会对性能产生负面影响。 固有误差 微步进中的角度误差有几个来源。一是电机本身的缺陷，如机械和磁性方面的缺陷。没有电机会拥有完美的正弦电流-位置传递函数。即使能够向电机施加完美的正弦和余弦电流，电机的运动也不可能是绝对的线性。 另一个误差源是步进电机控制器的电流调节精度。典型的步进电机IC 只能精确到满量程电流的 5%左右。另外，两个通道之间的电流调节匹配度也可能并不完美。这些不精确的因素都会降低定位的精度。 有关这些误差的更多信息，请参阅应用说明 《Understanding MP6500 Current Control》. 步进电机扭矩 步进电机均具有额定的保持扭矩。保持扭矩是将电机从整步位置拉开所需的扭矩，也是电机移动一整步时能够产生的扭矩。在每一个整步之后，齿都会与最小磁路对齐，从而产生强大的扭矩。 增量保持扭矩=(整步保持扭矩)×sin(90°/X) 上式中的X代表微步进的步数。 举例来说，对 1/8 步而言，增量扭矩约为整步扭矩的 20%；对1/32 步而言，增量扭矩仅为整步扭矩的 5%。 对运动控制系统而言，它代表在执行微步进时实际要达到的预期位置，电机上的扭矩负载必须远小于电机额定保持扭矩。 实验室测量 我们通过几个实验来测试微步进的定位精度。实验室装置使用了安装在步进电机轴上的第一表面镜和一个激光器。首先，光束通过镜面反射到实验室的另一端，距离约为9米；然后我们测量激光束的仰角，并计算角度。精度测量主要受限于光束高度的测量精度；±1mm的高度对应±0.006°的精度。 用于实验的电机为典型的混合式电机，常用于 3D 打印机等产品。该电机为1.8°双极性电机，额定电流2.8A，保持扭矩为1.26Nm。 第一个实验单独测量了电机的精度。我们用精确的直流电流源来驱动两相，电机轴上无扭矩负载，只有一面镜子安装在轴上（参见图 2）。 图2:步进电机轴上安装的镜子 采用这种装置测量的结果显示出了很小的非线性度；但总体而言，角度精度良好，约为 ±0.03°。而且，电机运动具有单调性（参见图 3）；也就是说，电机永远不会朝错误的方向移动或无法移动。如果出现这类错误，那只能说明电机本身具有固有误差，或者测量错误。在这里，1/32 步对应精度为0.056°。 图3: 1/32步进电机空载精度 接下来，将电机与磁粉制动器连接在一起，该制动器用于向电机施加摩擦扭矩负载（参见图4）。 图4: 制动器装置 同样采用直流电流源重复上述测量，将大约 0.1Nm 的扭矩施加到电机轴上。图 5显示出，电机每隔一步都会暂停，这与之前的测量结果大为不同。 图5: 增加扭矩后的1/32 步进电机精度 这种行为与电机的计算增量扭矩一致。1/32 微步进的增量扭矩约为保持扭矩的 5%。在保持扭矩为 1.26Nm 的情况下，一个微步进步数产生的预期扭矩约为 0.06Nm。当然，这不足以克服摩擦负载，因此，需要两个微步进步数才能使扭矩足够高，以克服负载。 如果将扭矩增加到 0.9Nm（大约是失速扭矩的 70%），则需要更多的微步进步数才能将扭矩提高到使电机运动的点（参见图 6）。 图6: 扭矩为0.9Nm 的1/32 步进电机 我们采用 MPS 的 MP6500, 步进 电机驱动 器 IC 进行两个类似的实验。MP6500 采用精确的 PWM 电流调节，能以整步、半步、1/4 步或1/8 步运行。图 7 显示了 MP6500 的功能框图。 买电子元器件现货上唯样商城 图7: MP6500步进电机 驱动器 为了测试使用传统步进电机驱动器 IC与使用直流电流源的精度是否不同，首先在 0.1Nm 扭矩和 1/8 步进模式下进行测试。1/8 步产生的扭矩约为整步的 20%，即 0.25Nm，大于施加的 0.1Nm 扭矩。图 8 显示的测量结果表明实际角度与理想角度相符。 图8: 采用1/8步且扭矩为0.1Nm 的MP6500 第二次测试施加 0.4Nm 的扭矩。这超过了 1/8 步的增量保持扭矩（0.25Nm）。正如预期的那样，微步进被跳过（参见图 9）。 图9: 采用1/8步且扭矩为0.4Nm 的MP6500 机械系统注意事项 为了实现微步进所需的精度，设计人员还必须考虑机械系统。 利用步进电机来产生线性运动的方法有多种。第一种方法是通过皮带和皮带轮将电机连接至运动部件。在这种情况下，旋转被转换为线性运动。线性运动的距离为电机运动角度和皮带轮直径的函数。 第二种方法是使用螺杆或滚珠螺杆。步进电机直接连接至螺杆末端，当螺杆旋转时，螺帽以线性方式行进。 在这两种情况下，单步微步进是否可以实现实际的线性运动取决于摩擦扭矩。这意味着，为了获得最佳精度，必须将摩擦扭矩降至最低。 例如，许多螺杆和滚珠螺杆螺帽都具有一定的预紧力可调性。预紧力是一种用于防止反冲的力，反冲会在系统中引起一些间隙。然而，增加预紧力会减少反冲，但也会增加摩擦力。因此，需要在反冲与摩擦力之间进行权衡。 结论 在使用步进电机设计运动控制系统时，不能假设电机的额定保持扭矩在微步进模式下仍然适用，因为在这种模式下增量扭矩会大大降低，这可能导致意外的定位错误。上述测试已经证明了这一点。在某些情况下，增加微步进分辨率并不能提高系统精度。 为了克服这些限制，建议尽量减少电机上的扭矩负载，或使用具有更高额定保持扭矩的电机。通常情况下，最好的解决方案是为机械系统设计更大的步进增量，而不是依赖精细的微步进。像 MP6500 这样的步进电机驱动器以 1/8 步进模式提供的机械性能，是能够与昂贵的传统微步进驱动器相媲美的。

微步进真的那么好吗？ 步进电机常被用于定位，它们性价比高、易于驱动，可用于开环系统，且无需像伺服电机那样提供位置反馈，因此非常适用于小型工业机器，例如激光雕刻机、3D 打印机和激光打印机等办公设备。 同时， 步进电机 的品种也非常繁多。对于 工业应用 来说，每转 200 步的两相混合式步进 电机 最为常见。这里的 “混合” 是指它利用永磁体和带齿铁转子的工作方式（例如可变磁阻电机），而 “200 步” 则指电机每步移动 1.8°，该步数为转子和定子上齿数的函数。 本文将聚焦这种最为常见的两相混合式步进电机进行阐述。图 1 即为典型的两相混合式电机。 图 1：典型的两相混合式步进电机 微步进 步进电机的步进值可以设置为小于整步，称为微步进。它通过调节绕组电流来实现，使转子可以定位于整步之间。设计人员几乎可以定义任何大小的微步进，因为其步进值仅受制于驱动绕组电流的数模 转换器 (DAC) 和放大器的分辨率，所以1/256 分辨率，甚至 1/1024 分辨率都很常见。 然而，实际上对大多数的机械系统来说，这种精细的微步进并不总能提高定位精度，还有很多其他因素都会对性能产生负面影响。 固有误差 微步进中的角度误差有几个来源。一是电机本身的缺陷，如机械和磁性方面的缺陷。没有电机会拥有完美的正弦电流-位置传递函数。即使能够向电机施加完美的正弦和余弦电流，电机的运动也不可能是绝对的线性。 另一个误差源是步进电机控制器的电流调节精度。典型的步进电机IC 只能精确到满量程电流的 5%左右。另外，两个通道之间的电流调节匹配度也可能并不完美。这些不精确的因素都会降低定位的精度。 有关这些误差的更多信息，请参阅应用说明 《Understanding MP6500 Current Control》. 步进电机扭矩 步进电机均具有额定的保持扭矩。保持扭矩是将电机从整步位置拉开所需的扭矩，也是电机移动一整步时能够产生的扭矩。在每一个整步之后，齿都会与最小磁路对齐，从而产生强大的扭矩。 增量保持扭矩=(整步保持扭矩)×sin(90°/X) 上式中的X代表微步进的步数。 举例来说，对 1/8 步而言，增量扭矩约为整步扭矩的 20%；对1/32 步而言，增量扭矩仅为整步扭矩的 5%。 对运动控制系统而言，它代表在执行微步进时实际要达到的预期位置，电机上的扭矩负载必须远小于电机额定保持扭矩。 实验室测量 我们通过几个实验来测试微步进的定位精度。实验室装置使用了安装在步进电机轴上的第一表面镜和一个激光器。首先，光束通过镜面反射到实验室的另一端，距离约为9米；然后我们测量激光束的仰角，并计算角度。精度测量主要受限于光束高度的测量精度；±1mm的高度对应±0.006°的精度。 用于实验的电机为典型的混合式电机，常用于 3D 打印机等产品。该电机为1.8°双极性电机，额定电流2.8A，保持扭矩为1.26Nm。 第一个实验单独测量了电机的精度。我们用精确的直流电流源来驱动两相，电机轴上无扭矩负载，只有一面镜子安装在轴上（参见图 2）。 图2:步进电机轴上安装的镜子 采用这种装置测量的结果显示出了很小的非线性度；但总体而言，角度精度良好，约为 ±0.03°。而且，电机运动具有单调性（参见图 3）；也就是说，电机永远不会朝错误的方向移动或无法移动。如果出现这类错误，那只能说明电机本身具有固有误差，或者测量错误。在这里，1/32 步对应精度为0.056°。 图3: 1/32步进电机空载精度 接下来，将电机与磁粉制动器连接在一起，该制动器用于向电机施加摩擦扭矩负载（参见图4）。 图4: 制动器装置 同样采用直流电流源重复上述测量，将大约 0.1Nm 的扭矩施加到电机轴上。图 5显示出，电机每隔一步都会暂停，这与之前的测量结果大为不同。 图5: 增加扭矩后的1/32 步进电机精度 这种行为与电机的计算增量扭矩一致。1/32 微步进的增量扭矩约为保持扭矩的 5%。在保持扭矩为 1.26Nm 的情况下，一个微步进步数产生的预期扭矩约为 0.06Nm。当然，这不足以克服摩擦负载，因此，需要两个微步进步数才能使扭矩足够高，以克服负载。 如果将扭矩增加到 0.9Nm（大约是失速扭矩的 70%），则需要更多的微步进步数才能将扭矩提高到使电机运动的点（参见图 6）。 图6: 扭矩为0.9Nm 的1/32 步进电机 我们采用 MPS 的 MP6500, 步进 电机驱动 器 IC 进行两个类似的实验。MP6500 采用精确的 PWM 电流调节，能以整步、半步、1/4 步或1/8 步运行。图 7 显示了 MP6500 的功能框图。 图7: MP6500步进电机 驱动器 为了测试使用传统步进电机驱动器 IC与使用直流电流源的精度是否不同，首先在 0.1Nm 扭矩和 1/8 步进模式下进行测试。1/8 步产生的扭矩约为整步的 20%，即 0.25Nm，大于施加的 0.1Nm 扭矩。图 8 显示的测量结果表明实际角度与理想角度相符。 图8: 采用1/8步且扭矩为0.1Nm 的MP6500 第二次测试施加 0.4Nm 的扭矩。这超过了 1/8 步的增量保持扭矩（0.25Nm）。正如预期的那样，微步进被跳过（参见图 9）。 图9: 采用1/8步且扭矩为0.4Nm 的MP6500 机械系统注意事项 买电子元器件现货上唯样商城 为了实现微步进所需的精度，设计人员还必须考虑机械系统。 利用步进电机来产生线性运动的方法有多种。第一种方法是通过皮带和皮带轮将电机连接至运动部件。在这种情况下，旋转被转换为线性运动。线性运动的距离为电机运动角度和皮带轮直径的函数。 第二种方法是使用螺杆或滚珠螺杆。步进电机直接连接至螺杆末端，当螺杆旋转时，螺帽以线性方式行进。 在这两种情况下，单步微步进是否可以实现实际的线性运动取决于摩擦扭矩。这意味着，为了获得最佳精度，必须将摩擦扭矩降至最低。 例如，许多螺杆和滚珠螺杆螺帽都具有一定的预紧力可调性。预紧力是一种用于防止反冲的力，反冲会在系统中引起一些间隙。然而，增加预紧力会减少反冲，但也会增加摩擦力。因此，需要在反冲与摩擦力之间进行权衡。 结论 在使用步进电机设计运动控制系统时，不能假设电机的额定保持扭矩在微步进模式下仍然适用，因为在这种模式下增量扭矩会大大降低，这可能导致意外的定位错误。上述测试已经证明了这一点。在某些情况下，增加微步进分辨率并不能提高系统精度。 为了克服这些限制，建议尽量减少电机上的扭矩负载，或使用具有更高额定保持扭矩的电机。通常情况下，最好的解决方案是为机械系统设计更大的步进增量，而不是依赖精细的微步进。像 MP6500 这样的步进电机驱动器以 1/8 步进模式提供的机械性能，是能够与昂贵的传统微步进驱动器相媲美的。 来源：MPS

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。

　　 H桥是一种电子电路，可使其连接的负载或输出端两端电压反相/电流反向。 这类电路可用于 机器人及其它实作场合中直流电动机的顺反向控制及转速控制 、步进电机控制（双极型步进电机还必须要包含两个H桥的电机控制器）， 电能变换中的大部分直流-交流变换器（如逆变器及变频器）、部分直流-直流变换器（推挽式变换器）等，以及其它的功率电子装置。 　　H桥是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名曰“H桥”。 4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：概述图中只是简略示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 H桥电路中间有一个直流电机M。D1、D2、D3、D4是MOS-FET的续流二极管； 开关状态 下面以控制一个直流电机为例，对H桥的几种开关状态进行简单的介绍，其中正转和反转是人为规定的方向，实际工程中按照实际情况进行划分即可。 正转 通常H桥用来驱动感性负载，这里我们来驱动一个直流电机： 打开Q1和Q4 关闭Q2和Q3 此时假设电机正转，电流依次经过Q1、M、Q4 ，如下图中红色线条所示。 反转 另外一种状态则是电机反转，此时四个开关元器件的状态如下： 关闭Q1和Q4 打开Q2和Q3 此时电机反转，电流依次经过Q2、M、Q3 ，如下图中红色线条所示。 调速 如果要对直流电机调速，其中的一种方案就是： 关闭Q2和Q3 打开Q1 ，Q4上给它输入50%占空比的PWM波形 这样就达到了降低转速的效果，如果需要增加转速，则将输入PWM的占空比设置为100%，电流方向如下图中红色线条所示。 停止状态 这里以电机从正转切换到停止状态为例。 正转时Q1和Q4是打开状态，这时候如果关闭Q1和Q4，直流电机内部可以等效成电感，也就是感性负载，电流不会突变，那么电流将继续保持原来的方向进行流动，这时候我们希望电机里的电流可以快速衰减。 这里有两种办法。 第一种： 关闭Q1和Q4，这时候电流仍然会通过反向续流二极管进行流动，此时短暂打开Q1和Q3从而达到快速衰减电流的目的，电流方向如下图中红色线条所示。 第二种： 准备停止的时候，关闭Q1、打开Q2，这时候电流并不会衰减地很快，电流循环在Q2、M、Q4之间流动，通过MOS-FET的内阻将电能消耗掉。 补充-另外一种H桥电路 上文中是包含4个N型MOS管的H桥， 另外还有包含2个N型、2个P型MOS管的H桥，下图就是这种H桥电路。 它由2个P型场效应管Q1、Q2与2个N型场效应管Q3、Q4组成，桥臂上的4个场效应管相当于四个开关。 相对于前文4个N型MOS管的H桥电路，此电路的一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态），H桥都不会出现“共态导通”（短路）。 MOS管开关电路原理 P型MOS管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭。 N型MOS管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。 正转 场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。 正因为这个特点，在连接好上图电路后，控制臂1置高电平（U=VCC）、控制臂2置低电平（U=0）时，Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通。 此时，电机左端低电平、右端高电平，所以电流沿箭头方向流动，设定此时为电机正转。 下面是 Trinamic电机驱动芯片 的步进电机系统架构。 可以看到，芯片集成了预驱，检测和保护电路。预驱也包含微步相序和分配逻辑。 芯片内部也集成了功率桥来节省外围器件。