提到直流無刷電機(jī)，那不得不提的就是有刷電機(jī)了。有刷電機(jī)有一個(gè)比較令人討厭的缺點(diǎn)：那就是“吵”。

因?yàn)殡娝⒑蛽Q向環(huán)需要時(shí)刻不停地摩擦，才能給電樞供電。

所以，如果你想要一個(gè)“靜音風(fēng)扇”的話，肯定不能選使用了有刷電機(jī)的產(chǎn)品。

并且電刷使用時(shí)間久了，比較容易損壞。電流較大的時(shí)候，你甚至可以看到電刷在換向的時(shí)候噼里啪啦地冒火花。

而這些缺點(diǎn)，在下面將要介紹的直流無刷電機(jī)(Brushless DC Motor)里，一樣都沒有!

我們將從以下四個(gè)方面來給大家介紹直流無刷電機(jī)(以下簡稱BLDC)：

1，BLDC的優(yōu)缺點(diǎn);

2，BLDC的工作原理;

3，BLDC的控制方式;

4，BLDC的實(shí)際使用。

1、BLDC的優(yōu)缺點(diǎn)

直流無刷電機(jī)，從字面上看，其最大的特點(diǎn)，就是“無刷”，也就是沒有電刷的意思。

就因?yàn)闆]有電刷，它非常完美地避開了有刷電機(jī)的那幾個(gè)缺點(diǎn)。所以反過來說，它主要的優(yōu)點(diǎn)就是：

1，壽命長;2，能夠做到靜音;3，效率高(損耗低);4，體積較小;5，穩(wěn)定性高。

1.無刷直流電機(jī)運(yùn)行的速度范圍比較寬泛，在任意的速度下，都可以全功率運(yùn)行。

2.過載能力突出，運(yùn)行效率高。

3.無刷直流電機(jī)相對于有刷電機(jī)來說，體積更小，適用范圍更廣，功率密度較高。

4.和異步電機(jī)的驅(qū)動控制相比，驅(qū)動更加簡單化。

5.無刷直流電機(jī)沒有機(jī)械換向器結(jié)構(gòu)，里面封閉，可以避免飛塵顆粒進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，導(dǎo)致出現(xiàn)各種各樣的毛病，可靠性高。

6.外特性較好，低速運(yùn)行，可輸出大轉(zhuǎn)矩，可以提供比較大的啟動轉(zhuǎn)矩。

2、 BLDC的工作原理

BLDC是電機(jī)的一種，所以它最基本的構(gòu)成也離不開定子(stator)和轉(zhuǎn)子(rotor)。

有刷電機(jī)的定子是永磁體，而它的轉(zhuǎn)子，則是通電的線圈(繞組)。如下圖：

但是對于BLDC來說，情況恰恰相反!

BLDC的定子(stator)是通電的線圈，而轉(zhuǎn)子(rotor)卻是永磁體!

從“麥克斯韋-安培定律”可以知道，通電線圈附近的空間會產(chǎn)生磁場。而磁場的分布方向，我們可以用“右手定則”得出。如下圖：

其實(shí)這就是我們常說的“電磁鐵”了!

那么接下來的事情就簡單了，磁鐵的特性是什么?

同性相斥，異性相吸!

所以，我們只要給定子上的線圈接入方向適當(dāng)?shù)碾娏鳎?/p>

即讓電磁鐵的磁極方向和永磁體的磁極方向正好對應(yīng)，不就能排斥、或者吸引轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動了。

上圖就是按順序單獨(dú)給線圈通電，使其朝向轉(zhuǎn)子的方向?yàn)殡姶盆F的S極，吸引轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

定子的優(yōu)化

以上的驅(qū)動方式，即按順序單獨(dú)給每個(gè)線圈通電，雖然可行，但是未免太過繁瑣，效率低下。

因此，實(shí)際上的BLDC會將那六個(gè)線圈兩兩組合，分成A，B，C三個(gè)繞組，如下圖：

這樣我們就可以同時(shí)驅(qū)動兩個(gè)電磁鐵了，效率立馬提高了一倍。

但是這還只是用了磁鐵“吸引”的特性，別忘了磁鐵還有“排斥”的特性。

如果我們再同時(shí)驅(qū)動另外一組線圈，讓上一組線圈“吸引”轉(zhuǎn)子的時(shí)候，另外一組線圈“排斥”轉(zhuǎn)子，那么我們的轉(zhuǎn)子將會獲得更高的驅(qū)動力!

如下圖：

到目前為止，這個(gè)模型已經(jīng)開始接近實(shí)際的BLDC產(chǎn)品了。

但是對于上面的模型，

我們需要給兩個(gè)繞組同時(shí)提供方向相反的兩組電源，才能同時(shí)達(dá)到“吸引”和“排斥”的效果。

這對于實(shí)際應(yīng)用來講，未免過于復(fù)雜，成本也太高。

接下來我們要講的“BLDC的控制方式”，將會解決上面這個(gè)問題。

3、BLDC的控制方式

原來的A,B,C三個(gè)繞組是各自獨(dú)立的，因此控制起來非常麻煩。

那如果我們把A,B,C三個(gè)繞組接在一起，拼成一個(gè)“星形連接(star arrangement)”，結(jié)果會是怎么樣?

本來三個(gè)繞組，引出六根線;現(xiàn)在引出的線減少到只有三根線，那么這么接怎么實(shí)現(xiàn)跟六根線一樣的控制效果呢?

如下圖：

電源正極接在右上角的A繞組輸入，而電源的負(fù)極接在了左下角的B繞組輸出。

這個(gè)時(shí)候A繞組和B繞組同時(shí)被驅(qū)動，而且其極性正好相反，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)繞組獨(dú)立驅(qū)動時(shí)一樣的效果!

所以只要按照這個(gè)順序：AB-AC-BC-BA-CA-CB，這六個(gè)節(jié)拍，依次循環(huán)驅(qū)動定子的繞組，轉(zhuǎn)子就能一直旋轉(zhuǎn)下去!

可以使用六個(gè)電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)這六個(gè)節(jié)拍的驅(qū)動，如下圖：

位置檢測

我們雖然已經(jīng)知道了控制轉(zhuǎn)子的六個(gè)節(jié)拍的方法。

但是你有沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的問題：如果不知道轉(zhuǎn)子的位置，如何知道何時(shí)該驅(qū)動哪個(gè)繞組?

所以我們必須要知道轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置!

而轉(zhuǎn)子的位置檢測，一般有兩種方式：

1，霍爾傳感器檢測法;

如下圖，在定子里放上H1,H2,H3，三個(gè)霍爾傳感器，就可以知道當(dāng)前的定子的確切位置。

霍爾傳感器的輸出用高低電平來表示：

2，反向電動勢檢測法

反向電動勢(Back EMF)檢測法是基于電磁感應(yīng)原理：

當(dāng)沒有通電的繞組周圍的磁場(磁通量)改變時(shí)，會在這個(gè)繞組上感應(yīng)出一個(gè)電動勢，

我們只要檢測這個(gè)電動勢的大小和方向，也能知道當(dāng)前定子的位置。

這兩種檢測方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：

霍爾傳感器檢測精度更高一點(diǎn)，但是成本也較高;

相反，反向電動勢檢測法經(jīng)濟(jì)性更好，但是精度稍低。

內(nèi)轉(zhuǎn)子 or 外轉(zhuǎn)子

BLDC有兩種結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子在內(nèi)的叫做內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC;相反，轉(zhuǎn)子在外的叫做外轉(zhuǎn)子BLDC。

相對來說，外轉(zhuǎn)子BLDC應(yīng)用更多一點(diǎn)。

主要原因是外轉(zhuǎn)子BLDC在機(jī)械結(jié)構(gòu)上更穩(wěn)定。這是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行下，由于離心力的作用，會有向外擴(kuò)張的趨勢。

所以內(nèi)轉(zhuǎn)子BLDC需要非常高的機(jī)械精度，保證轉(zhuǎn)子和定子不會打架。

但是如果預(yù)留的距離太遠(yuǎn)，又會導(dǎo)致漏磁而影響電機(jī)的整體效率。

但是在外轉(zhuǎn)子BLDC上卻沒有這個(gè)問題，因?yàn)橥廪D(zhuǎn)子天然不受擴(kuò)張影響。

BLDC的缺點(diǎn)

我們現(xiàn)在再回到前面遺留下的問題：BLDC的缺點(diǎn)是什么?

相信你已經(jīng)猜到：我們花了那么多的篇幅來講BLDC的控制方式，足以看到其控制的難度，相對于有刷電機(jī)來說，是高出了不少的!

所以說BLDC最大的缺點(diǎn)，就是他的控制難度高，驅(qū)動電調(diào)(Electronic Speed Control，簡稱ESC)價(jià)格較高。

它還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是BLDC由于感抗的原因，啟動時(shí)會伴隨著抖動，不像有刷電機(jī)的啟動那么平穩(wěn)。

目前主流的無刷電機(jī)控制方式有如下三種：

1、方波控制：

也稱為梯形波控制、120°控制、6步換向控制

方波控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制算法簡單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速;

缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動大、存在一定的電流噪聲、效率達(dá)不到最大值。方波控制適用于對電機(jī)轉(zhuǎn)動性能要求不高的場合。

方波控制使用霍爾傳感器或者無感估算算法獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，然后根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置在360°的電氣周期內(nèi)，進(jìn)行6次換向(每60°換向一次)。

每個(gè)換向位置電機(jī)輸出特定方向的力，因此可以說方波控制的位置精度是電氣60°。

由于在這種方式控制下，電機(jī)的相電流波形接近方波，所以稱為方波控制。

2、正弦波控制：

正弦波控制方式使用的是SVPWM波，輸出的是3相正弦波電壓，相應(yīng)的電流也是正弦波電流。

這種方式?jīng)]有方波控制換向的概念，或者認(rèn)為一個(gè)電氣周期內(nèi)進(jìn)行了無限多次的換向。

顯然，正弦波控制相比方波控制，其轉(zhuǎn)矩波動較小，電流諧波少，控制起來感覺比較“細(xì)膩”，但是對控制器的性能要求稍高于方波控制，而且電機(jī)效率不能發(fā)揮到最大值。

3、FOC控制

又稱為矢量變頻、磁場矢量定向控制

正弦波控制實(shí)現(xiàn)了電壓矢量的控制，間接實(shí)現(xiàn)了電流大小的控制，但是無法控制電流的方向。

FOC控制方式可以認(rèn)為是正弦波控制的升級版本，實(shí)現(xiàn)了電流矢量的控制，也即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子磁場的矢量控制。

由于控制了電機(jī)定子磁場的方向，所以可以使電機(jī)定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場時(shí)刻保持在90°，實(shí)現(xiàn)一定電流下的最大轉(zhuǎn)矩輸出。

FOC控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩波動小、效率高、噪聲小、動態(tài)響應(yīng)快;

缺點(diǎn)是：硬件成本較高、對控制器性能有較高要求，電機(jī)參數(shù)需匹配。

FOC是目前無刷直流電機(jī)(BLDC)和永磁同步電機(jī)(PMSM)高效控制的最佳選擇。

FOC精確地控制磁場大小與方向，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，并且具有高速的動態(tài)響應(yīng)。

由于FOC的優(yōu)勢明顯，目前很多公司已在眾多應(yīng)用上逐步用FOC替代傳統(tǒng)產(chǎn)品的控制方式。

德國Trinamic有一款帶有磁場矢量控制(FOC)的伺服控制芯片---TMC4671-LA

- 轉(zhuǎn)矩控制模式

- 速度控制模式

- 位置控制模式

- 電流控制刷新頻率和最大的PWM頻率為100KHz (速度和位置控制的刷新頻率可以根據(jù)當(dāng)前電流刷新頻率的倍數(shù)配置)

TMC4671是一款完全集成伺服控制芯片，為直流無刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)、2相步進(jìn)電機(jī)、直流有刷電機(jī)和音圈電機(jī)提供磁場定向控制。

所有的控制功能都被集成在硬件上。集成了ADCs、位置傳感器接口、位置差值器，該款功能齊全的伺服控制器，適用于各種伺服應(yīng)用。

那接下來我們就來看看，BLDC的實(shí)際應(yīng)用場景。

4、BLDC的實(shí)際應(yīng)用

1、靜音散熱風(fēng)扇風(fēng)冷是很多設(shè)備散熱的首選。

例如市面上很多主打“靜音”的機(jī)箱，如果是使用風(fēng)冷，里面的散熱風(fēng)扇基本都是使用BLDC。

用來給筆記本電腦散熱的底座也常用BLDC，除此之外，一些大型的通風(fēng)散熱系統(tǒng)里面，使用的也是BLDC風(fēng)扇。

還有高速風(fēng)筒之類的產(chǎn)品。

2、多軸無人機(jī)較大功率使用的都是BLDC，適配上合適的電調(diào)(ESC)，再使用PWM來控制BLDC調(diào)速是非常方便的。

3、電動工具之類的產(chǎn)品，比如電批，國內(nèi)生產(chǎn)的電扳手基本上都使用了BLDC，還有大部分的手電鉆也一樣。

主要是因?yàn)锽LDC的高效率，而使得電池供電的電動工具續(xù)航時(shí)間更長。還有一點(diǎn)是無刷電機(jī)的扭矩輸出非常穩(wěn)定。

還有冰箱壓縮機(jī)，冰柜冷卻風(fēng)機(jī)，以及近幾年很火的空氣凈化器、吸塵器/掃地機(jī)器人、筋膜槍等，大部分使用的都是BLDC驅(qū)動。

審核編輯：湯梓紅