無刷直流電機-BLDC基礎知識 — TMC4671-LA
當談到無刷直流馬達時, 不得不提的是有刷電機. 有刷馬達有相當煩人的缺點: 那是 “吵雜”.
因為電刷和換向環需要不斷摩擦, 為了給電樞供電.
所以, 如果你想要一個 “安靜的風扇”, 你絕對不能選擇使用有刷馬達的產品.
而且刷子用久了更容易損壞. 當電流較大時, 您甚至可以看到刷子在改變方向時發出劈啪聲和火花.
這些缺點都沒有在 無刷直流馬達-BLDC 下面我們將介紹!
我們來介紹一下無刷 直流馬達-BLDC (簡稱 BLDC) 從以下四個方面.
1, BLDC 的優點和缺點.
2, BLDC的工作原理.
3, BLDC的控制方式.
4, BLDC的實際使用.
1、BLDC 的優點和缺點
無刷直流電機, 字面上地, 其最大的特點是 “無刷”, 這意味著沒有刷子.
因為沒有刷子, 非常完美的避免了有刷馬達的幾個缺點. 那麼反過來, 其主要優點是.
1, 長壽; 2, 可以保持沉默; 3, 高效率 (低損耗); 4, 較小的尺寸; 5, 高穩定性.
- 1. 無刷直流馬達可在較寬的速度範圍內運行, 以任何速度, 可以全功率運行.
- 2. 過載能力突出，運作效率高.
- 3. 無刷直流馬達體積更小, 與有刷馬達相比，應用範圍更廣，功率密度更高.
- 4. 與非同步馬達的驅動控制比較, 驅動更簡單.
- 5. 無刷直流馬達沒有機械換向器結構，封閉在內部, 可以避免飛揚的灰塵顆粒進入馬達內部而導致各種問題，可靠性高.
- 6. 外部特性較好, 低速運行, 可輸出大扭矩, 可以提供比較大的啟動扭矩.
BLDC 的缺點
我們回到前面留下的問題: BLDC 的缺點是什麼?
相信你已經猜到了: 我們花了這麼多篇幅來談談BLDC的控制方法, 足以見其駕馭之難度, 與有刷馬達相比, 高很多!
所以BLDC最大的缺點就是控制難度高，驅動電調價格高 (電子速度控制, 簡稱電調).
BLDC 也有一個缺點，就是由於電感電阻, 啟動時會伴隨抖動, 不像有刷馬達啟動那麼順暢.
現在, 無刷馬達主流控制方式有以下三種.
1、方波控制.
也稱為梯形波控制, 120° 控制, 6-步進換向控制
方波控制方式的優點是控制演算法簡單, 硬體成本低, 使用普通性能的 控制器 將能夠獲得高馬達速度.
缺點是扭力波動大, 有一定量的電流噪音, 且效率沒有達到最大. 方波控制適合對馬達旋轉性能要求不高的應用.
方波控制使用霍爾感測器或無感測器估計演算法來獲取馬達轉子的位置, 然後進行六次換向 (每 60° 一次) 基於 360° 電循環內的轉子位置.
在每個換向位置，馬達輸出特定方向的力, 所以可以說方波控制的位置精度為電60°.
由於這種控制方式馬達的相電流波形接近方波, 這稱為方波控制.
2、正弦波控制.
正弦波控制方式採SVPWM波, 輸出為三相正弦波電壓, 對應的電流也是正弦波電流.
此方法沒有方波控制換相的概念, 或認為一個電循環中有無數次換向.
明顯地, 與方波控制相比, 正弦波控制，轉矩波動小，電流諧波少, 這使得控制感更強 “精美的”, 但性能要求 控制器 略高於方波控制, 並且馬達的效率無法最大化.
3、焦點控制
也稱為向量變頻, 磁場向量方向控制
正弦波控制實現電壓向量控制, 間接實現電流大小的控制, 但無法控制電流方向.
FOC控制方式可以認為是正弦波控制的升級版, 實現了電流向量的控制, IE。, 馬達定子磁場向量控制.
由於定子磁場的方向是受控的, 定子磁場和轉子磁場始終保持90°, 並能在一定電流下達到最大扭力輸出.
FOC控制法的優點是: 低扭力波動, 高效率, 低雜訊、快速動態響應.
缺點是: 硬體成本較高, 對控制器性能提出更高要求, 和馬達參數需要匹配.
FOC是目前無刷直流馬達高效率控制的最佳選擇 (無刷直流電機) 和永磁同步電機 (永磁同步電機).
FOC精確控制磁場的大小和方向, 這使得馬達扭矩平滑, 低噪聲, 高效率, 並具有高速動態響應.
由於FOC的優勢明顯, 許多公司現在正逐步以 FOC 取代傳統產品的控制，以適應眾多應用.
德國Trinamic擁有磁場向量控制的伺服控制晶片 (FOC) — TMC4671-LA
– 扭力控制方式
– 調速方式
– 位置控制方式
– 電流控制刷新頻率和最大100KHz PWM頻率 (速度和位置控制的刷新頻率可配置為目前刷新頻率的倍數)
TMC4671是全整合伺服控制晶片，為無刷直流馬達提供磁場方向控制, 永磁同步電機, 2-相位步進電機, 有刷直流電機和音圈電機.
所有控制功能都整合到硬體中. 具有整合 ADC, 位置感測器介面, 和位置差, 此全功能伺服控制器適用於各種伺服應用.
2、BLDC的工作原理
BLDC是馬達的一種, 所以它最基本的組成是離不開定子和轉子的.
有刷馬達的定子是永久磁鐵, 而它的轉子是一個通電線圈 (繞線). 如下圖所示.
但對於 BLDC, 事實恰恰相反!
定子 (定子) BLDC 的一個通電線圈, 而轉子是永久磁鐵!
從 “麥克斯韋-安培定律”, 我們知道，通電線圈附近的空間會產生磁場. 以及磁場分佈的方向, 我們可以使用 “右手定則” 推導.
實際上, 這就是我們常說的 “電磁鐵”!
那麼接下來的事情就簡單了, 磁鐵有什麼特性?
同性之間會互相排斥, 異性互相吸引!
所以, 我們只需要給定子上的線圈提供適當的電流方向, 那是, 從而使電磁鐵的磁極方向.
所以, 我們只需要將定子上的線圈連接到適當的電流方向, 那是, 讓電磁鐵磁極方向與永久磁鐵磁極方向完全一致, 無法擊退, 或吸引轉子做旋轉運動.
定子優化
以上驅動方法, IE. 按順序單獨為每個線圈通電, 可行但過於麻煩且效率低下.
所以, 實際的 BLDC 會將這六個線圈兩兩組合起來，並將它們分成三個繞組, A, 乙, 和C, 如下.
這樣我們就可以同時驅動兩個電磁鐵, 這立即使效率翻倍.
但這僅適用於磁鐵 “景點” 特徵, 不要忘記磁鐵也 “排斥力” 特徵.
如果我們同時驅動另一組線圈, 這樣前一組線圈 “吸引” 當另一組線圈 “擊退” 轉子, 那麼我們的轉子將會獲得更高的驅動力!
迄今, 該模型已開始接近實際的 BLDC 產品.
但對於上面的模型
然而, 對於上述模型, 我們需要給兩個繞組兩組相反方向的電源，以達到 “景點” 和 “排斥力” 同時.
對於實際應用來說這太複雜且成本太高.
接下來我們將討論 “BLDC控制方式”, 這將解決上述問題.
3、BLDC的控制方式
原來的A, 乙, C 三個繞組獨立, 所以控制起來非常麻煩.
那如果我們連接A的三個繞組,乙,C 放在一起並放在一起 a “星形排列”, 結果會怎樣?
原來是三繞組, 導致六行; 現在導致行減少到只有三行, 那麼如何用六條線如此連接來達到相同的控制效果?
如下圖.
電源正極接A繞組右上角輸入端, 而電源負極接B繞組輸出的左下角.
此時A繞組和B繞組同時驅動, 而它的極性正好相反, 三個繞組獨立驅動時達到相同的效果!
所以按照這個順序: AB-AC-BC-BA-CA-CB, 六拍, 並依序循環定子繞組, 轉子可以繼續旋轉!
可以使用六個電子開關來驅動這六個節拍, 如下.
位置偵測
雖然我們已經知道如何控制轉子的六次跳動.
但你有沒有發現新的問題: 如果您不知道轉子的位置, 你怎麼知道何時該驅動哪個繞組?
所以我們必須知道轉子的當前位置!
轉子位置的偵測一般有兩種方式.
1, 霍爾感測器檢測方法.
如下圖, 放入定子H1,H2,H3, 三個霍爾感測器, 您可以知道定子目前的準確位置.
霍爾感測器輸出以高低電平來指示.
2, 反向電動勢檢測方法
反電動勢檢測方法基於電磁感應原理.
當磁場 (磁通量) 圍繞未通電的繞組變化, 此繞組中感應出電位.
透過檢測該電位的大小和方向, 我們也可以知道定子的目前位置.
這兩種檢測方法各有優缺點.
霍爾感測器檢測更準確一點, 但成本也更高.
相反, 反向電動勢檢測方式更經濟, 但稍微不太準確.
內轉子或外轉子
BLDC有兩種結構: 內部的轉子稱為內轉子 BLDC; 相反, 轉子在外面的稱為外轉子 BLDC.
相對來說, 外轉子BLDC使用較多.
主要原因是外轉子BLDC機械結構較穩定. 這是因為馬達轉子在高速運轉時，由於離心力的作用，有向外膨脹的趨勢.
所以內轉子BLDC需要非常高的機械精度才能確保轉子和定子不會打架.
但如果預留的距離太遠, 會導致漏磁，影響馬達整體效率.
但這對於外轉子 BLDC 來說不是問題, 因為外轉子自然不受膨脹的影響.
4、BLDC的實際應用
那接下來我們就來看看, BLDC的實際應用場景.
1, 靜音散熱風扇風冷是許多設備散熱的首選.
例如, 許多主要的 “沉默的” 市場上的機箱, 如果採用風冷, 裡面的散熱風扇基本上都是採用BLDC.
筆記型電腦用來散熱的底座也是常用的BLDC, 另外裡面還有一些大型的通風冷卻系統, BLDC 風扇的使用. 還有高速風機等產品.
2, 多軸無人機應用於更大功率BLDC, 適應適當的ESC (ESC鍵), 然後用PWM來控制BLDC速度非常方便.
3, 電動工具及其他產品, 比如電動批, 國內生產的電動扳手基本上都採用BLDC, 以及多數手鑽.
主要是因為BLDC的效率高, 使電池供電的電動工具使用壽命更長. 還有一點就是無刷馬達的扭力輸出非常穩定.
還有冰箱壓縮機, 冷凍室冷卻風扇, 還有空氣清淨機, 吸塵器/掃地機, 筋膜槍, ETC。, 近幾年很火紅的, 其中大部分由 BLDC 驅動.
