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最全无刷电机驱动控制必学经典资料


什么是无刷电机(也称为BLDC)?

在您了解的无刷电机之前,我觉得很有必要先了解下,什么叫做电机

根据百度百科词条的解析,“电机(俗称:马达)是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。在电路中用字母M表示,主要作用是用来产生驱动转矩,作为用电器或各种机械的动力源。”电机因为具有很高的效率、以及良好的操作性,目前广泛应用于汽车、工业设备、医疗器械、家用电器(如空调冰箱)、电动自行摩托车等各种现实应用场景。可以说电机的使用在我们生活中无处不在。按照电机电源的种类、转动原理,我们可以把电机分为以下两大类:

​DC电机和AC电机


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DC电机(直流电机)按照结构及工作原理,可以分为有刷DC电机和无刷DC电机。根据电机内部感应电动势波形,电机又可以分为无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。

​有刷电机是传统产品,在性能上比较稳定,缺点是换向器和电刷接触,使用寿命很短需要定期维护及更新。相比之下,无刷DC电机由电机主体和驱动器组成,以自控式方式运行,无论是电机使用寿命、还是性能效率方面,都比有刷电机要好。

从电流驱动角度来看,无刷直流电机可分为正弦波驱动和方波驱动。通常,以方波驱动的电机称为无刷直流电机(BLDC),正弦波驱动的电机则为永磁同步电机(PMSM)。无刷直流电机,跟永磁同步电机,基本结构相似,主要区别在于控制器电流的驱动方式不同。

无刷直流电机(BLDC)是如何运行的?

BLDC电机中的“BL”意为“无刷”,就是DC电机(有刷电机)中的“电刷”没有了。电刷在DC电机(有刷电机)里扮演的角色是通过换向器向转子里的线圈通电。那么没有电刷的BLDC电机是如何向转子里的线圈通电的呢?原来BLDC电动机电机采用永磁体来做转子,转子里是没有线圈的。由于转子里没有线圈,所以不需要用于通电的换向器和电刷。取而代之的是作为定子的线圈。


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上面是BLDC电机的运转示意图。BLDC电机的运转示意图。BLDC电机将永磁体作为转子。由于无需向转子通电,因此不需要电刷和换向器。从外部对通向线圈的电进行控制。

DC电机(有刷电机)中被固定的永磁体所制造出的磁场是不会动的,通过控制线圈(转子)在其内部产生的磁场来旋转。要通过改变电压来改变旋转数。BLDC电机的转子是永磁体,通过改变周围的线圈所产生的磁场的方向使转子旋转。通过控制通向线圈的电流方向和大小来控制转子的旋转。

为什么要学习无刷直流(BLDC)控制?

直流电机都可以设计成有刷、或者是无刷电机,但无刷直流电机(BLDC)通常是大多数应用的首选。不像同步电机那样,无刷电机不需要另外加载启动绕组,同时也不会出现负载突变时产生振荡和失步。BLDC使用电子换向器替代碳刷,更可靠、更安静,运行效率更高,使用功耗也会随之减少,产品寿命也会更长,从长期使用性价比来讲,选择无刷直流(BLDC)使用都是不二的选择。

除此之外,无刷直流电机还有以下诸多好处:

1. 外特性好,能够在低速下输出大转矩,使得它可以提供大的起动转矩;

2. 速度范围宽,任何速度下都可以全功率运行;

3. 效率高、过载能力强,使得它在拖动系统中有出色的表现;

4. 再生制动效果好,由于它的转子是永磁材料,制动时电机可以进入发电机状态;

5. 体积小,功率密度高;

6. 无机械换向器,采用全封闭式结构,可以防止尘土进入电机内部,可靠性高;

7. 相比异步电机的驱动控制简单。

无刷直流(BLDC)是如何控制的?

无刷直流电机的驱动方式,按照不同类别可分为多种驱动方式,主要有以下几种:

1. 按驱动波形:方波驱动,这种驱动方式实现方便,易于实现电机无位置传感器控制;

2. 正弦驱动:这种驱动方式可以改善电机运行效果,使输出力矩均匀,但实现过程相对复杂。同时,这种方法又有 SPWM 和 SVPWM(空间矢量 PWM)两种方式,SVPWM的效果好于 SPWM。

常见的BLDC无刷直流电机,由于采用非正弦分布的定子绕组,反电动势为梯形,产生电流也是梯形,所有会出现矩形脉动,进而会导致低速振荡,从而产生音频噪音。采用正弦波的BLDC控制方式(即为:永磁同步电机)使用正弦电流驱动,减少转矩脉动,特别适合低转矩或者安静环境下的使用场合。所以BLDC也可以通过PMSM正弦矢量控制方式运行。

目前,我们所看到的BLDC,大多数控制方式比较统一,主要以6个MOSFET搭配成全桥电路,并以控制电路、驱动电路组合。硬件方面概况起来,主要包含以下几个版块:全桥驱动电路、霍尔反馈电路、电流采样电路等。软件实现上,可以使用方波、或者正弦波(PMSM)方式控制。




如何学习无刷直流电机(BLDC)?

学习电机马达驱动是一个很大的范畴。在学习前,你必须熟悉一定的模数、数模混合电路基础,学会基本电机原理知识、基础算法,控制器的软件实现,在学习电机控制调节(电调)部分,重点核心是学习电流环、速度环流程设计,涉及到具体PID调节器使用,还需要掌握PID算法。设计电机调速,经常会学到就是传感器算法控制,目前用得比较多的是无传感器设计。上述这些都要懂,电机控制是嵌入式比较难的一个行业, 如果能够深入透彻理解电机,掌握好还是会非常吃香的。

由于篇幅有限的关系,下面再列举部分学习电机需要掌握的知识、技能点,供大家参考学习:

1. 无刷直流马达(BLDC)工作原理

这里就不细说了,毕竟每门技能入门,最不能缺少的就是理论基础概念的理解了。

2. 学习有霍尔位置传感器 和无霍尔位置传感器的BLDC区别

①目前有位置传感器用的比较多,由于它能够准确采样转子的旋转位置,所以更能稳定可靠运行,控制方式相对来说也简单些。因此,在很多项目中得到大量使用。应用领域:特别适合大负载和静止启动的情况。比如,电动车、电动自行车、电动汽车、高铁等中均得到大量而广泛的应用。当然,毕竟马达上多个sensor ,在马达制作工艺方面增加了复杂度,增加了成本。同时,霍尔也存在一定几率的老化不良等问题,对电机的整个寿命产生一定的影响。

②由于有位置马达存在上述的弊端,无位置由于没有sensor工艺简单,同时更加安全可靠,所以在很多场合也得到比较多的应用。在一些复杂恶劣的环境、轻负载的情况下应用,比如风机,空调压缩机,汽车的冷却风扇等。但是,由于位置是根据马达的反电动势计算得来的,因此具有不可靠性。而且在马达静止情况下,由于不存在反电动势,因此转子的位置更加难以确定。所以,不适合马达在静止条件下使用。

③综上所诉,有位置的马达的驱动器比较简单,马达相对复杂,可静止启动。无位置控制的马达优点是马达简单控制器复杂,适合轻负载,非零转速启动或者在马达又一定转速下启动。

最后,就是在此基础上,学会霍尔位置传感器部分设计。

3. 电机(马达)控制基础部分

电机的转子、定子采样设计部分:如何整合、外转子和内转子工作原理、特性,如何实现设计;

②方波和正弦波的理解。根据实际或项目应用来选择,目前方波马达技术较为成熟,正弦波控制方式比较复杂,但未来空间更大,主要应用在高性能电机

③电压、转速及扭矩、功率之间关系。学会各种电机参数概念、计算公式及相互之间的关系。如电压与转速的关系、及马达的电流与转速,效率之间的关系,和如何调速等等。

4. BLDC如何实现电压调速

以三相bldc方波有位置传感器马达为实例,我们以全硬件的方式来搭建驱动器电路。你需要掌握以下这些要点:

①三相桥电路的设计:mosfet的选型和设计;mosfet充放电电路的设计;

②半桥驱动电路的选型和讲解;

③自举充电电路的讲解:如何实现自举电容充电?

④半桥驱动前级,复杂逻辑电路如何实现?分以下几个方面:

Ø 如何用全硬件的方式实现马达正转?

Ø 如何实现马达的停止?

Ø 如何实现自取电容的充电?

Ø 如何根据霍尔的逻辑信号来实现马达的换向?

Ø 如何实现马达的调速?

5. 电机调试部分。熟悉霍尔电路、 数字电路、半桥电路、充电电路、桥式电路、马达整机等具体调试方法、步骤。


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