提到直流无刷电机,那不得已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
并且电刷使用时间久了,非常容易损坏。电流比较大的时候,你还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!
直流无刷电机,从字面上看,其最大的特点,就是“无刷”,也就没有电刷的意思。
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。
3.无刷直流电机相对于有刷电机来说,体积更小,适合使用的范围更广,功率密度较高。
5.无刷直流电机没有机械换向器结构,里面封闭,能够尽可能的防止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。
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)。
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”不难得知,通电线圈附近的空间会产生磁场。而磁场的分布方向,我们大家可以用“右手定则”得出。如下图:
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。
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:
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!
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。
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?
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!
所以只要按照这一个顺序: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!
但是你有未曾发现一个新的问题:如果不知道转子的位置,如何知道何时该驱动哪个绕组?
如下图,在定子里放上H1,H2,H3,三个霍尔传感器,就不难得知当前的定子的确切位置。
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,
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。
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。
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。
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,因此能说方波控制的位置精度是电气60°。
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。
正弦波控制实现了电压矢量的控制,间接实现了电流的大小的控制,但是无法控制电流的方向。
FOC控制方式能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,所以能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的优势显著,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。
-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能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。
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。
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调速是十分便捷的。
3、电动工具之类的产品,比如电批,国内生产的电扳手大多数都使用了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航时更长。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。
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