直流无刷电机（BLDC）基础知识---TMC4671-LA

  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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