无刷直流电机-BLDC 基础 — TMC4671-LA
当谈到无刷直流电机时, 不得不提的是有刷电机. 有刷电机有一个相当烦人的缺点: 那是 “嘈杂”.
因为电刷和换向环需要不断摩擦, 为了给电枢供电.
所以, 如果你想要一个 “安静的风扇”, 你肯定不能选择使用有刷电机的产品.
而且刷子用久了更容易损坏. 当电流较大时, 您甚至可以看到刷子在改变方向时发出噼啪声和火花.
这些缺点都没有在 无刷直流电机-BLDC 下面我们将介绍!
我们来介绍一下无刷 直流电机-BLDC (简称 BLDC) 从以下四个方面.
1, BLDC 的优点和缺点.
2, BLDC的工作原理.
3, BLDC的控制方式.
4, BLDC的实际使用.
1、BLDC 的优点和缺点
无刷直流电机, 字面上地, 其最大的特点是 “无刷”, 这意味着没有刷子.
因为没有刷子, 非常完美的避免了有刷电机的几个缺点. 那么反过来, 其主要优点是.
1, 长寿; 2, 可以保持沉默; 3, 高效率 (低损耗); 4, 较小的尺寸; 5, 高稳定性.
- 1. 无刷直流电机可在较宽的速度范围内运行, 以任何速度, 可以全功率运行.
- 2. 过载能力突出，运行效率高.
- 3. 无刷直流电机体积更小, 与有刷电机相比，应用范围更广，功率密度更高.
- 4. 与异步电机的驱动控制比较, 驱动更简单.
- 5. 无刷直流电机没有机械换向器结构，封闭在内部, 可以避免飞扬的灰尘颗粒进入电机内部而导致各种问题，可靠性高.
- 6. 外部特性较好, 低速运行, 可输出大扭矩, 可以提供比较大的启动扭矩.
BLDC 的缺点
我们回到前面留下的问题: BLDC 的缺点是什么?
相信你已经猜到了: 我们花了这么多篇幅来谈谈BLDC的控制方法, 足以见其驾驭之难度, 与有刷电机相比, 高很多!
所以BLDC最大的缺点就是控制难度高，驱动电调价格高 (电子速度控制, 简称电调).
BLDC 也有一个缺点，即由于电感电阻, 启动时会伴随抖动, 不像有刷电机启动那么顺畅.
现在, 无刷电机主流控制方式有以下三种.
1、方波控制.
也称为梯形波控制, 120° 控制, 6-步进换向控制
方波控制方式的优点是控制算法简单, 硬件成本低, 使用普通性能的 控制器 将能够获得高电机速度.
缺点是扭矩波动大, 有一定量的电流噪声, 并且效率没有达到最大. 方波控制适合对电机旋转性能要求不高的应用.
方波控制使用霍尔传感器或无传感器估计算法来获取电机转子的位置, 然后进行六次换向 (每 60° 一次) 基于 360° 电循环内的转子位置.
在每个换向位置，电机输出特定方向的力, 所以可以说方波控制的位置精度为电60°.
由于这种控制方式电机的相电流波形接近方波, 这称为方波控制.
2、正弦波控制.
正弦波控制方式采用SVPWM波, 输出为三相正弦波电压, 对应的电流也是正弦波电流.
该方法没有方波控制换相的概念, 或者认为一个电循环中有无数次换向.
明显地, 与方波控制相比, 正弦波控制，转矩波动小，电流谐波少, 这使得控制感更强 “精美的”, 但性能要求 控制器 略高于方波控制, 并且电机的效率无法最大化.
3、焦点控制
也称为矢量变频, 磁场矢量方向控制
正弦波控制实现电压矢量控制, 间接实现电流大小的控制, 但无法控制电流方向.
FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版, 实现了电流矢量的控制, IE。, 电机定子磁场矢量控制.
由于定子磁场的方向是受控的, 定子磁场和转子磁场始终保持90°, 并能在一定电流下达到最大扭矩输出.
FOC控制方法的优点是: 低扭矩波动, 高效率, 低噪音、快速动态响应.
缺点是: 硬件成本较高, 对控制器性能提出更高要求, 和电机参数需要匹配.
FOC是目前无刷直流电机高效控制的最佳选择 (无刷直流) 和永磁同步电机 (永磁同步电机).
FOC精确控制磁场的大小和方向, 这使得电机扭矩平滑, 低噪声, 高效率, 并具有高速动态响应.
由于FOC的优势明显, 许多公司现在正在逐步用 FOC 取代传统产品的控制，以适应众多应用.
德国Trinamic拥有磁场矢量控制的伺服控制芯片 (FOC) — TMC4671-LA
– 扭矩控制方式
– 调速方式
– 位置控制方式
– 电流控制刷新频率和最大100KHz PWM频率 (速度和位置控制的刷新频率可配置为当前刷新频率的倍数)
TMC4671是一款全集成伺服控制芯片，为无刷直流电机提供磁场方向控制, 永磁同步电机, 2-相位步进电机, 有刷直流电机和音圈电机.
所有控制功能都集成到硬件中. 具有集成 ADC, 位置传感器接口, 和位置差, 该全功能伺服控制器适用于各种伺服应用.
2、BLDC的工作原理
BLDC是电机的一种, 所以它最基本的组成是离不开定子和转子的.
有刷电机的定子是永磁体, 而它的转子是一个通电线圈 (绕线). 如下图所示.
但对于 BLDC, 事实恰恰相反!
定子 (定子) BLDC 的一个通电线圈, 而转子是永磁体!
从 “麦克斯韦-安培定律”, 我们知道，通电线圈附近的空间会产生磁场. 以及磁场分布的方向, 我们可以使用 “右手定则” 得出.
实际上, 这就是我们常说的 “电磁铁”!
那么接下来的事情就简单了, 磁铁有什么特性?
同性之间会互相排斥, 异性互相吸引!
所以, 我们只需要给定子上的线圈提供适当的电流方向, 那是, 从而使电磁铁的磁极方向.
所以, 我们只需要将定子上的线圈连接到适当的电流方向, 那是, 让电磁铁磁极方向与永磁体磁极方向完全一致, 无法击退, 或吸引转子做旋转运动.
定子优化
以上驱动方法, IE. 按顺序单独为每个线圈通电, 可行但过于麻烦且效率低下.
所以, 实际的 BLDC 会将这六个线圈两两组合起来，并将它们分成三个绕组, 一个, 乙, 和C, 如下.
这样我们就可以同时驱动两个电磁铁, 这立即使效率翻倍.
但这仅适用于磁铁 “景点” 特征, 不要忘记磁铁也 “排斥力” 特征.
如果我们同时驱动另一组线圈, 这样前一组线圈 “吸引” 当另一组线圈 “击退” 转子, 那么我们的转子将获得更高的驱动力!
迄今为止, 该模型已开始接近实际的 BLDC 产品.
但对于上面的模型
然而, 对于上述模型, 我们需要给两个绕组提供两组相反方向的电源，以达到 “景点” 和 “排斥力” 同时.
对于实际应用来说这太复杂且成本太高.
接下来我们将讨论 “BLDC控制方式”, 这将解决上述问题.
3、BLDC的控制方式
原来的A, 乙, C 三个绕组独立, 所以控制起来非常麻烦.
那么如果我们连接A的三个绕组,乙,C 放在一起并放在一起 a “星形排列”, 结果会怎样?
原来是三绕组, 导致六行; 现在导致行减少到只有三行, 那么如何用六根线如此连接来达到同样的控制效果?
如下图.
电源正极接A绕组右上角输入端, 而电源负极接B绕组输出的左下角.
此时A绕组和B绕组同时驱动, 并且它的极性正好相反, 三个绕组独立驱动时达到同样的效果!
所以按照这个顺序: AB-AC-BC-BA-CA-CB, 六拍, 并依次循环定子绕组, 转子可以继续旋转!
可以使用六个电子开关来驱动这六个节拍, 如下.
位置检测
虽然我们已经知道如何控制转子的六次跳动.
但你有没有发现新的问题: 如果您不知道转子的位置, 你怎么知道何时驱动哪个绕组?
所以我们必须知道转子的当前位置!
转子位置的检测一般有两种方式.
1, 霍尔传感器检测方法.
如下图, 放入定子H1,H2,H3, 三个霍尔传感器, 您可以知道定子当前的准确位置.
霍尔传感器输出以高低电平来指示.
2, 反向电动势检测方法
反电动势检测方法基于电磁感应原理.
当磁场 (磁通量) 围绕未通电的绕组变化, 该绕组中感应出电势.
通过检测该电势的大小和方向, 我们还可以知道定子的当前位置.
这两种检测方法各有优缺点.
霍尔传感器检测更准确一点, 但成本也更高.
相反, 反向电动势检测方式更经济, 但稍微不太准确.
内转子或外转子
BLDC有两种结构: 内部的转子称为内转子 BLDC; 相反, 转子在外面的称为外转子 BLDC.
相对来说, 外转子BLDC使用较多.
主要原因是外转子BLDC机械结构更稳定. 这是因为电机转子在高速运转时，由于离心力的作用，有向外膨胀的趋势.
所以内转子BLDC需要非常高的机械精度才能保证转子和定子不会打架.
但如果预留的距离太远, 会导致漏磁，影响电机整体效率.
但这对于外转子 BLDC 来说不是问题, 因为外转子自然不受膨胀的影响.
4、BLDC的实际应用
那么接下来我们就来看看, BLDC的实际应用场景.
1, 静音散热风扇风冷是很多设备散热的首选.
例如, 许多主要的 “沉默的” 市场上的机箱, 如果采用风冷, 里面的散热风扇基本都是采用BLDC.
笔记本电脑用来散热的底座也是常用的BLDC, 另外里面还有一些大型的通风冷却系统, BLDC 风扇的使用. 还有高速风机等产品.
2, 多轴无人机应用于更大功率BLDC, 适应适当的ESC (ESC键), 然后用PWM来控制BLDC速度非常方便.
3, 电动工具及其他产品, 比如电动批, 国内生产的电动扳手基本都采用BLDC, 以及大多数手钻.
主要是因为BLDC的效率高, 使电池供电的电动工具使用寿命更长. 还有一点就是无刷电机的扭矩输出非常稳定.
还有冰箱压缩机, 冷冻室冷却风扇, 还有空气净化器, 吸尘器/扫地机, 筋膜枪, 等等, 近几年很火的, 其中大部分由 BLDC 驱动.
