發(fā)布時(shí)間：2020-01-04
最全無(wú)刷電機(jī)（BLDC）驅(qū)動(dòng)控制必學(xué)經(jīng)典資料
原創(chuàng)： 發(fā)燒友學(xué)院小包
什么是無(wú)刷電機(jī)（也稱(chēng)為BLDC）？
在您了解的無(wú)刷電機(jī)之前，我覺(jué)得很有必要先了解下，什么叫做電機(jī)。
根據(jù)百度百科詞條的解析，“電機(jī)（俗稱(chēng)：馬達(dá)）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M表示，主要作用是用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。”電機(jī)因?yàn)榫哂泻芨叩男?、以及良好的操作性，目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、家用電器（如空調(diào)冰箱）、電動(dòng)自行摩托車(chē)等各種現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景?？梢哉f(shuō)電機(jī)的使用在我們生活中無(wú)處不在。按照電機(jī)電源的種類(lèi)、轉(zhuǎn)動(dòng)原理，我們可以把電機(jī)分為以下兩大類(lèi)：
DC電機(jī)和AC電機(jī)
DC電機(jī)（直流電機(jī)）按照結(jié)構(gòu)及工作原理，可以分為有刷DC電機(jī)和無(wú)刷DC電機(jī)。根據(jù)電機(jī)內(nèi)部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，電機(jī)又可以分為無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）。
有刷電機(jī)是傳統(tǒng)產(chǎn)品，在性能上比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是換向器和電刷接觸，使用壽命很短需要定期維護(hù)及更新。相比之下，無(wú)刷DC電機(jī)由電機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，以自控式方式運(yùn)行，無(wú)論是電機(jī)使用壽命、還是性能效率方面，都比有刷電機(jī)要好。
從電流驅(qū)動(dòng)角度來(lái)看，無(wú)刷直流電機(jī)可分為正弦波驅(qū)動(dòng)和方波驅(qū)動(dòng)。通常，以方波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)稱(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC），正弦波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)則為永磁同步電機(jī)（PMSM）。無(wú)刷直流電機(jī)，跟永磁同步電機(jī)，基本結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別在于控制器電流的驅(qū)動(dòng)方式不同。
無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）是如何運(yùn)行的？
BLDC電機(jī)中的“BL”意為“無(wú)刷”，就是DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中的“電刷”沒(méi)有了。電刷在DC電機(jī)（有刷電機(jī)）里扮演的角色是通過(guò)換向器向轉(zhuǎn)子里的線圈通電。那么沒(méi)有電刷的BLDC電機(jī)是如何向轉(zhuǎn)子里的線圈通電的呢？原來(lái)BLDC電動(dòng)機(jī)電機(jī)采用永磁體來(lái)做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子里是沒(méi)有線圈的。由于轉(zhuǎn)子里沒(méi)有線圈，所以不需要用于通電的換向器和電刷。取而代之的是作為定子的線圈。
上面是BLDC電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖。BLDC電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖。BLDC電機(jī)將永磁體作為轉(zhuǎn)子。由于無(wú)需向轉(zhuǎn)子通電，因此不需要電刷和換向器。從外部對(duì)通向線圈的電進(jìn)行控制。
DC電機(jī)（有刷電機(jī)）中被固定的永磁體所制造出的磁場(chǎng)是不會(huì)動(dòng)的，通過(guò)控制線圈（轉(zhuǎn)子）在其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)旋轉(zhuǎn)。要通過(guò)改變電壓來(lái)改變旋轉(zhuǎn)數(shù)。BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，通過(guò)改變周?chē)木€圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制通向線圈的電流方向和大小來(lái)控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
為什么要學(xué)習(xí)無(wú)刷直流（BLDC）控制？
直流電機(jī)都可以設(shè)計(jì)成有刷、或者是無(wú)刷電機(jī)，但無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）通常是大多數(shù)應(yīng)用的首選。不像同步電機(jī)那樣，無(wú)刷電機(jī)不需要另外加載啟動(dòng)繞組，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。BLDC使用電子換向器替代碳刷，更可靠、更安靜，運(yùn)行效率更高，使用功耗也會(huì)隨之減少，產(chǎn)品壽命也會(huì)更長(zhǎng)，從長(zhǎng)期使用性?xún)r(jià)比來(lái)講，選擇無(wú)刷直流（BLDC）使用都是不二的選擇。
除此之外，無(wú)刷直流電機(jī)還有以下諸多好處：
1. 外特性好，能夠在低速下輸出大轉(zhuǎn)矩，使得它可以提供大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
2. 速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運(yùn)行；
3. 效率高、過(guò)載能力強(qiáng)，使得它在拖動(dòng)系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；
4. 再生制動(dòng)效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動(dòng)時(shí)電機(jī)可以進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)；
5. 體積小，功率密度高；
6. 無(wú)機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高；
7. 相比異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單。
無(wú)刷直流（BLDC）是如何控制的？
無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，按照不同類(lèi)別可分為多種驅(qū)動(dòng)方式，主要有以下幾種：
1. 按驅(qū)動(dòng)波形：方波驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)方便，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)位置傳感器控制；
2. 正弦驅(qū)動(dòng)：這種驅(qū)動(dòng)方式可以改善電機(jī)運(yùn)行效果，使輸出力矩均勻，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，這種方法又有 SPWM 和 SVPWM（空間矢量 PWM）兩種方式，SVPWM的效果好于 SPWM。
常見(jiàn)的BLDC無(wú)刷直流電機(jī)，由于采用非正弦分布的定子繞組，反電動(dòng)勢(shì)為梯形，產(chǎn)生電流也是梯形，所有會(huì)出現(xiàn)矩形脈動(dòng)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致低速振蕩，從而產(chǎn)生音頻噪音。采用正弦波的BLDC控制方式（即為：永磁同步電機(jī)）使用正弦電流驅(qū)動(dòng)，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，特別適合低轉(zhuǎn)矩或者安靜環(huán)境下的使用場(chǎng)合。所以BLDC也可以通過(guò)PMSM正弦矢量控制方式運(yùn)行。
目前，我們所看到的BLDC，大多數(shù)控制方式比較統(tǒng)一，主要以6個(gè)MOSFET搭配成全橋電路，并以控制電路、驅(qū)動(dòng)電路組合。硬件方面概況起來(lái)，主要包含以下幾個(gè)版塊：全橋驅(qū)動(dòng)電路、霍爾反饋電路、電流采樣電路等。軟件實(shí)現(xiàn)上，可以使用方波、或者正弦波（PMSM）方式控制。
如何學(xué)習(xí)無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）?
學(xué)習(xí)電機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)很大的范疇。在學(xué)習(xí)前，你必須熟悉一定的模數(shù)、數(shù)?；旌想娐坊A(chǔ)，學(xué)會(huì)基本電機(jī)原理知識(shí)、基礎(chǔ)算法，控制器的軟件實(shí)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)電機(jī)控制調(diào)節(jié)（電調(diào)）部分，重點(diǎn)核心是學(xué)習(xí)電流環(huán)、速度環(huán)流程設(shè)計(jì)，涉及到具體PID調(diào)節(jié)器使用，還需要掌握PID算法。設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)速，經(jīng)常會(huì)學(xué)到就是傳感器算法控制，目前用得比較多的是無(wú)傳感器設(shè)計(jì)。上述這些都要懂，電機(jī)控制是嵌入式比較難的一個(gè)行業(yè)， 如果能夠深入透徹理解電機(jī)，掌握好還是會(huì)非常吃香的。
由于篇幅有限的關(guān)系，下面再列舉部分學(xué)習(xí)電機(jī)需要掌握的知識(shí)、技能點(diǎn)，供大家參考學(xué)習(xí)：
1. 無(wú)刷直流馬達(dá)（BLDC）工作原理
這個(gè)我就不細(xì)說(shuō)了，畢竟每門(mén)技能入門(mén)，最不能缺少的就是理論基礎(chǔ)概念的理解了。
2. 學(xué)習(xí)有霍爾位置傳感器 和無(wú)霍爾位置傳感器的BLDC區(qū)別
①目前有位置傳感器用的比較多，由于它能夠準(zhǔn)確采樣轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，所以更能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，控制方式相對(duì)來(lái)說(shuō)也簡(jiǎn)單些。因此，在很多項(xiàng)目中得到大量使用。應(yīng)用領(lǐng)域：特別適合大負(fù)載和靜止啟動(dòng)的情況。比如，電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、高鐵等中均得到大量而廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，畢竟馬達(dá)上多個(gè)sensor ，在馬達(dá)制作工藝方面增加了復(fù)雜度，增加了成本。同時(shí)，霍爾也存在一定幾率的老化不良等問(wèn)題，對(duì)電機(jī)的整個(gè)壽命產(chǎn)生一定的影響。
②由于有位置馬達(dá)存在上述的弊端，無(wú)位置由于沒(méi)有sensor工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)更加安全可靠，所以在很多場(chǎng)合也得到比較多的應(yīng)用。在一些復(fù)雜惡劣的環(huán)境、輕負(fù)載的情況下應(yīng)用，比如風(fēng)機(jī)，空調(diào)壓縮機(jī)，汽車(chē)的冷卻風(fēng)扇等。但是，由于位置是根據(jù)馬達(dá)的反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算得來(lái)的，因此具有不可靠性。而且在馬達(dá)靜止情況下，由于不存在反電動(dòng)勢(shì)，因此轉(zhuǎn)子的位置更加難以確定。所以，不適合馬達(dá)在靜止條件下使用。
③綜上所訴，有位置的馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)器比較簡(jiǎn)單，馬達(dá)相對(duì)復(fù)雜，可靜止啟動(dòng)。無(wú)位置控制的馬達(dá)優(yōu)點(diǎn)是馬達(dá)簡(jiǎn)單控制器復(fù)雜，適合輕負(fù)載，非零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)或者在馬達(dá)又一定轉(zhuǎn)速下啟動(dòng)。
最后，就是在此基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)霍爾位置傳感器部分設(shè)計(jì)。
3. 電機(jī)（馬達(dá)）控制基礎(chǔ)部分
①電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子采樣設(shè)計(jì)部分：如何整合、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子工作原理、特性，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)；
②方波和正弦波的理解。根據(jù)實(shí)際或項(xiàng)目應(yīng)用來(lái)選擇，目前方波馬達(dá)技術(shù)較為成熟，正弦波控制方式比較復(fù)雜，但未來(lái)空間更大，主要應(yīng)用在高性能電機(jī)。
③電壓、轉(zhuǎn)速及扭矩、功率之間關(guān)系。學(xué)會(huì)各種電機(jī)參數(shù)概念、計(jì)算公式及相互之間的關(guān)系。如電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系、及馬達(dá)的電流與轉(zhuǎn)速，效率之間的關(guān)系，和如何調(diào)速等等。
4. BLDC如何實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)速
以三相bldc方波有位置傳感器馬達(dá)為實(shí)例，我們以全硬件的方式來(lái)搭建驅(qū)動(dòng)器電路。你需要掌握以下這些要點(diǎn)：
①三相橋電路的設(shè)計(jì)：mosfet的選型和設(shè)計(jì)；mosfet充放電電路的設(shè)計(jì)；
②半橋驅(qū)動(dòng)電路的選型和講解；
③自舉充電電路的講解：如何實(shí)現(xiàn)自舉電容充電？
④半橋驅(qū)動(dòng)前級(jí)，復(fù)雜邏輯電路如何實(shí)現(xiàn)？分以下幾個(gè)方面：
? 如何用全硬件的方式實(shí)現(xiàn)馬達(dá)正轉(zhuǎn)？
? 如何實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的停止？
? 如何實(shí)現(xiàn)自取電容的充電？
? 如何根據(jù)霍爾的邏輯信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的換向？
? 如何實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的調(diào)速？
5. 電機(jī)調(diào)試部分。熟悉霍爾電路、 數(shù)字電路、半橋電路、充電電路、橋式電路、馬達(dá)整機(jī)等具體調(diào)試方法、步驟。
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