發(fā)布時間：2020-01-04
最全無刷電機（BLDC）驅(qū)動控制必學(xué)經(jīng)典資料
原創(chuàng)： 發(fā)燒友學(xué)院小包
什么是無刷電機（也稱為BLDC）？
在您了解的無刷電機之前，我覺得很有必要先了解下，什么叫做電機。
根據(jù)百度百科詞條的解析，“電機（俗稱：馬達）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(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，主要作用是用來產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機械的動力源。”電機因為具有很高的效率、以及良好的操作性，目前廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械、家用電器（如空調(diào)冰箱）、電動自行摩托車等各種現(xiàn)實應(yīng)用場景?？梢哉f電機的使用在我們生活中無處不在。按照電機電源的種類、轉(zhuǎn)動原理，我們可以把電機分為以下兩大類：
DC電機和AC電機
DC電機（直流電機）按照結(jié)構(gòu)及工作原理，可以分為有刷DC電機和無刷DC電機。根據(jù)電機內(nèi)部感應(yīng)電動勢波形，電機又可以分為無刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）。
有刷電機是傳統(tǒng)產(chǎn)品，在性能上比較穩(wěn)定，缺點是換向器和電刷接觸，使用壽命很短需要定期維護及更新。相比之下，無刷DC電機由電機主體和驅(qū)動器組成，以自控式方式運行，無論是電機使用壽命、還是性能效率方面，都比有刷電機要好。
從電流驅(qū)動角度來看，無刷直流電機可分為正弦波驅(qū)動和方波驅(qū)動。通常，以方波驅(qū)動的電機稱為無刷直流電機（BLDC），正弦波驅(qū)動的電機則為永磁同步電機（PMSM）。無刷直流電機，跟永磁同步電機，基本結(jié)構(gòu)相似，主要區(qū)別在于控制器電流的驅(qū)動方式不同。
無刷直流電機（BLDC）是如何運行的？
BLDC電機中的“BL”意為“無刷”，就是DC電機（有刷電機）中的“電刷”沒有了。電刷在DC電機（有刷電機）里扮演的角色是通過換向器向轉(zhuǎn)子里的線圈通電。那么沒有電刷的BLDC電機是如何向轉(zhuǎn)子里的線圈通電的呢？原來BLDC電動機電機采用永磁體來做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子里是沒有線圈的。由于轉(zhuǎn)子里沒有線圈，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電機的運轉(zhuǎn)示意圖。BLDC電機的運轉(zhuǎn)示意圖。BLDC電機將永磁體作為轉(zhuǎn)子。由于無需向轉(zhuǎn)子通電，因此不需要電刷和換向器。從外部對通向線圈的電進行控制。
DC電機（有刷電機）中被固定的永磁體所制造出的磁場是不會動的，通過控制線圈（轉(zhuǎn)子）在其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場來旋轉(zhuǎn)。要通過改變電壓來改變旋轉(zhuǎn)數(shù)。BLDC電機的轉(zhuǎn)子是永磁體，通過改變周圍的線圈所產(chǎn)生的磁場的方向使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
為什么要學(xué)習(xí)無刷直流（BLDC）控制？
直流電機都可以設(shè)計成有刷、或者是無刷電機，但無刷直流電機（BLDC）通常是大多數(shù)應(yīng)用的首選。不像同步電機那樣，無刷電機不需要另外加載啟動繞組，同時也不會出現(xiàn)負載突變時產(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，運行效率更高，使用功耗也會隨之減少，產(chǎn)品壽命也會更長，從長期使用性價比來講，選擇無刷直流（BLDC）使用都是不二的選擇。
除此之外，無刷直流電機還有以下諸多好處：
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轉(zhuǎn)矩；
2. 速度范圍寬，任何速度下都可以全功率運行；
3. 效率高、過載能力強，使得它在拖動系統(tǒng)中有出色的表現(xiàn)；
4. 再生制動效果好，由于它的轉(zhuǎn)子是永磁材料，制動時電機可以進入發(fā)電機狀態(tài)；
5. 體積小，功率密度高；
6. 無機械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，可以防止塵土進入電機內(nèi)部，可靠性高；
7. 相比異步電機的驅(qū)動控制簡單。
無刷直流（BLDC）是如何控制的？
無刷直流電機的驅(qū)動方式，按照不同類別可分為多種驅(qū)動方式，主要有以下幾種：
1. 按驅(qū)動波形：方波驅(qū)動，這種驅(qū)動方式實現(xiàn)方便，易于實現(xiàn)電機無位置傳感器控制；
2. 正弦驅(qū)動：這種驅(qū)動方式可以改善電機運行效果，使輸出力矩均勻，但實現(xiàn)過程相對復(fù)雜。同時，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。
常見的BLDC無刷直流電機，由于采用非正弦分布的定子繞組，反電動勢為梯形，產(chǎn)生電流也是梯形，所有會出現(xiàn)矩形脈動，進而會導(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）使用正弦電流驅(qū)動，減少轉(zhuǎn)矩脈動，特別適合低轉(zhuǎn)矩或者安靜環(huán)境下的使用場合。所以BLDC也可以通過PMSM正弦矢量控制方式運行。
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MOSFET搭配成全橋電路，并以控制電路、驅(qū)動電路組合。硬件方面概況起來，主要包含以下幾個版塊：全橋驅(qū)動電路、霍爾反饋電路、電流采樣電路等。軟件實現(xiàn)上，可以使用方波、或者正弦波（PMSM）方式控制。
如何學(xué)習(xí)無刷直流電機（BLDC）?
學(xué)習(xí)電機馬達驅(qū)動是一個很大的范疇。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)會基本電機原理知識、基礎(chǔ)算法，控制器的軟件實現(xiàn)，在學(xué)習(xí)電機控制調(diào)節(jié)（電調(diào)）部分，重點核心是學(xué)習(xí)電流環(huán)、速度環(huán)流程設(shè)計，涉及到具體PID調(diào)節(jié)器使用，還需要掌握PID算法。設(shè)計電機調(diào)速，經(jīng)常會學(xué)到就是傳感器算法控制，目前用得比較多的是無傳感器設(shè)計。上述這些都要懂，電機控制是嵌入式比較難的一個行業(yè)， 如果能夠深入透徹理解電機，掌握好還是會非常吃香的。
由于篇幅有限的關(guān)系，下面再列舉部分學(xué)習(xí)電機需要掌握的知識、技能點，供大家參考學(xué)習(xí)：
1. 無刷直流馬達（BLDC）工作原理
這個我就不細說了，畢竟每門技能入門，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，由于它能夠準確采樣轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，所以更能穩(wěn)定可靠運行，控制方式相對來說也簡單些。因此，在很多項目中得到大量使用。應(yīng)用領(lǐng)域：特別適合大負載和靜止啟動的情況。比如，電動車、電動自行車、電動汽車、高鐵等中均得到大量而廣泛的應(yīng)用。當然，畢竟馬達上多個sensor ，在馬達制作工藝方面增加了復(fù)雜度，增加了成本。同時，霍爾也存在一定幾率的老化不良等問題，對電機的整個壽命產(chǎn)生一定的影響。
②由于有位置馬達存在上述的弊端，無位置由于沒有sensor工藝簡單，同時更加安全可靠，所以在很多場合也得到比較多的應(yīng)用。在一些復(fù)雜惡劣的環(huán)境、輕負載的情況下應(yīng)用，比如風(fēng)機，空調(diào)壓縮機，汽車的冷卻風(fēng)扇等。但是，由于位置是根據(jù)馬達的反電動勢計算得來的，因此具有不可靠性。而且在馬達靜止情況下，由于不存在反電動勢，因此轉(zhuǎn)子的位置更加難以確定。所以，不適合馬達在靜止條件下使用。
③綜上所訴，有位置的馬達的驅(qū)動器比較簡單，馬達相對復(fù)雜，可靜止啟動。無位置控制的馬達優(yōu)點是馬達簡單控制器復(fù)雜，適合輕負載，非零轉(zhuǎn)速啟動或者在馬達又一定轉(zhuǎn)速下啟動。
最后，就是在此基礎(chǔ)上，學(xué)會霍爾位置傳感器部分設(shè)計。
3. 電機（馬達）控制基礎(chǔ)部分
①電機的轉(zhuǎn)子、定子采樣設(shè)計部分：如何整合、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子工作原理、特性，如何實現(xiàn)設(shè)計；
②方波和正弦波的理解。根據(jù)實際或項目應(yīng)用來選擇，目前方波馬達技術(shù)較為成熟，正弦波控制方式比較復(fù)雜，但未來空間更大，主要應(yīng)用在高性能電機。
③電壓、轉(zhuǎn)速及扭矩、功率之間關(guān)系。學(xué)會各種電機參數(shù)概念、計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如何實現(xiàn)電壓調(diào)速
以三相bldc方波有位置傳感器馬達為實例，我們以全硬件的方式來搭建驅(qū)動器電路。你需要掌握以下這些要點：
①三相橋電路的設(shè)計：mosfet的選型和設(shè)計；mosfet充放電電路的設(shè)計；
②半橋驅(qū)動電路的選型和講解；
③自舉充電電路的講解：如何實現(xiàn)自舉電容充電？
④半橋驅(qū)動前級，復(fù)雜邏輯電路如何實現(xiàn)？分以下幾個方面：
? 如何用全硬件的方式實現(xiàn)馬達正轉(zhuǎn)？
? 如何實現(xiàn)馬達的停止？
? 如何實現(xiàn)自取電容的充電？
? 如何根據(jù)霍爾的邏輯信號來實現(xiàn)馬達的換向？
? 如何實現(xiàn)馬達的調(diào)速？
5. 電機調(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、馬達整機等具體調(diào)試方法、步驟。
浙ICP備16039854號-3
