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史上最全無刷電機(BLDC)驅動控制必學經典資料(950+份,20G+)

根據百度百科詞條的解析,「電機是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M表示,主要作用是用來產生驅動轉矩,作為用電器或各種機械的動力源。」

2020-01-02 22:58 / 0人閱讀過此篇文章  

什麼是無刷電機(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,什麼叫做電機。

根據百度百科詞條的解析,「電機(俗稱:馬達)是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M表示,主要作用是用來產生驅動轉矩,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,目前廣泛應用於汽車、工業設備、醫療器械、家用電器(如空調冰箱)、電動自行摩托車等各種現實應用場景。可以說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)按照結構及工作原理,可以分為有刷DC電機和無刷DC電機。根據電機內部感應電動勢波形,電機又可以分為無刷直流電機(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)。

有刷電機是傳統產品,在性能上比較穩定,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。

從電流驅動角度來看,無刷直流電機可分為正弦波驅動和方波驅動。通常,以方波驅動的電機稱為無刷直流電機(BLDC),正弦波驅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,基本結構相似,主要區別在於控制器電流的驅動方式不同。

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子裡的線圈通電。那麼沒有電刷的BLDC電機是如何向轉子裡的線圈通電的呢?原來BLDC電動機電機採用永磁體來做轉子,轉子裡是沒有線圈的。由於轉子裡沒有線圈,所以不需要用於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電機的運轉示意圖。BLDC電機的運轉示意圖。BLDC電機將永磁體作為轉子。由於無需向轉子通電,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製造出的磁場是不會動的,通過控制線圈(轉子)在其內部產生的磁場來旋轉。要通過改變電壓來改變旋轉數。BLDC電機的轉子是永磁體,通過改變周圍的線圈所產生的磁場的方向使轉子旋轉。通過控制通向線圈的電流方向和大小來控制轉子的旋轉。

為什麼要學習無刷直流(BLDC)控制?

直流電機都可以設計成有刷、或者是無刷電機,但無刷直流電機(BLDC)通常是大多數應用的首選。不像同步電機那樣,無刷電機不需要另外加載啟動繞組,同時也不會出現負載突變時產生振蕩和失步。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矩,使得它可以提供大的起動轉矩;

2. 速度範圍寬,任何速度下都可以全功率運行;

3. 效率高、過載能力強,使得它在拖動系統中有出色的表現;

4. 再生制動效果好,由於它的轉子是永磁材料,制動時電機可以進入發電機狀態;

5. 體積小,功率密度高;

6. 無機械換向器,採用全封閉式結構,可以防止塵土進入電機內部,可靠性高;

7. 相比異步電機的驅動控制簡單。

無刷直流(BLDC)是如何控制的?

無刷直流電機的驅動方式,按照不同類別可分為多種驅動方式,主要有以下幾種:

1. 按驅動波形:方波驅動,這種驅動方式實現方便,易於實現電機無位置傳感器控制;

2. 正弦驅動:這種驅動方式可以改善電機運行效果,使輸出力矩均勻,但實現過程相對複雜。同時,這種方法又有 SPWM 和 SVPWM(空間矢量 PWM)兩種方式,SVPWM的效果好於 SPWM。

常見的BLDC無刷直流電機,由於採用非正弦分布的定子繞組,反電動勢為梯形,產生電流也是梯形,所有會出現矩形脈動,進而會導致低速振蕩,從而產生音頻噪音。採用正弦波的BLDC控制方式(即為:永磁同步電機)使用正弦電流驅動,減少轉矩脈動,特別適合低轉矩或者安靜環境下的使用場合。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,大多數控制方式比較統一,主要以6個MOSFET搭配成全橋電路,並以控制電路、驅動電路組合。硬體方面概況起來,主要包含以下幾個版塊:全橋驅動電路、霍爾反饋電路、電流採樣電路等。軟體實現上,可以使用方波、或者正弦波(PMSM)方式控制。

如何學習無刷直流電機(BLDC)?

學習電機馬達驅動是一個很大的範疇。在學習前,你必須熟悉一定的模數、數模混合電路基礎,學會基本電機原理知識、基礎算法,控制器的軟體實現,在學習電機控制調節(電調)部分,重點核心是學習電流環、速度環流程設計,涉及到具體PID調節器使用,還需要掌握PID算法。設計電機調速,經常會學到就是傳感器算法控制,目前用得比較多的是無傳感器設計。上述這些都要懂,電機控制是嵌入式比較難的一個行業, 如果能夠深入透徹理解電機,掌握好還是會非常吃香的。

由於篇幅有限的關係,下面再列舉部分學習電機需要掌握的知識、技能點,供大家參考學習:

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概念的理解了。

2. 學習有霍爾位置傳感器 和無霍爾位置傳感器的BLDC區別

①目前有位置傳感器用的比較多,由於它能夠準確採樣轉子的旋轉位置,所以更能穩定可靠運行,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。應用領域: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用。當然,畢竟馬達上多個sensor ,在馬達製作工藝方面增加了複雜度,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生一定的影響。

②由於有位置馬達存在上述的弊端,無位置由於沒有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用。在一些複雜惡劣的環境、輕負載的情況下應用,比如風機,空調壓縮機,汽車的冷卻風扇等。但是,由於位置是根據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,由於不存在反電動勢,因此轉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,有位置的馬達的驅動器比較簡單,馬達相對複雜,可靜止啟動。無位置控制的馬達優點是馬達簡單控制器複雜,適合輕負載,非零轉速啟動或者在馬達又一定轉速下啟動。

最後,就是在此基礎上,學會霍爾位置傳感器部分設計。

3. 電機(馬達)控制基礎部分

①電機的轉子、定子採樣設計部分:如何整合、外轉子和內轉子工作原理、特性,如何實現設計;

②方波和正弦波的理解。根據實際或項目應用來選擇,目前方波馬達技術較為成熟,正弦波控制方式比較複雜,但未來空間更大,主要應用在高性能電機。

③電壓、轉速及扭矩、功率之間關係。學會各種電機參數概念、計算公式及相互之間的關係。如電壓與轉速的關係、及馬達的電流與轉速,效率之間的關係,和如何調速等等。

4. BLDC如何實現電壓調速

以三相bldc方波有位置傳感器馬達為實例,我們以全硬體的方式來搭建驅動器電路。你需要掌握以下這些要點:

①三相橋電路的設計:mosfet的選型和設計;mosfet充放電電路的設計;

②半橋驅動電路的選型和講解;

③自舉充電電路的講解:如何實現自舉電容充電?

④半橋驅動前級,複雜邏輯電路如何實現?分以下幾個方面:

Ø 如何用全硬體的方式實現馬達正轉?

Ø 如何實現馬達的停止?

Ø 如何實現自取電容的充電?

Ø 如何根據霍爾的邏輯信號來實現馬達的換向?

Ø 如何實現馬達的調速?

5. 電機調試部分。熟悉霍爾電路、 數字電路、半橋電路、充電電路、橋式電路、馬達整機等具體調試方法、步驟。

......

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第一部分:無刷電機電路基礎

主要介紹無刷直流電機(BLDC)基本原理、電機分類(有刷、無刷電機)及優缺點、實際用途,電機基本概念如定子、轉子、換向器、時序,有位置與無位置傳感器的區別,霍爾傳感器使用等。

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第二部分:PID電機調節控制部分

主要電機的PID調節方式。PID參數設定、控制器的結構及穩定性分析,PID調速算法原理、電流環、速度環的PID控制電路綜合設計。

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第三部分:BLDC無刷直流驅動控制設計

主要包含BLDC無刷直流電機的方波控制、正弦波控制(PMSM)方式的控制設計方法、具體流程及實現的過程全程解析。

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第四部分:BLDC無刷直流驅動設計(基於FOC矢量控制)

本部分主要介紹基於FOC矢量控制的BLDC無刷電機控制,具體原理,電路設計,算法實現過程,電機電調設計全過程。

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第五部分:無刷電機控制方案(晶片廠商方案大匯總)

本部分集結了BLDC無刷電機常用晶片商方案:ST、NXP、TI、飛思卡爾、微芯及英飛凌等各大國際知名廠商,有關BLDC無刷電機控制晶片手冊、電路設計原理圖、PCB電路圖、輸出GER網表等設計文件,對應的技術文檔及設計指南。

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第六部分:無刷電機原理圖大全

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第七部分:BLDC控制板晶片手冊

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第八部分:無刷電機資料大全(基本原理+接線方法+解決方案)

第九部分:無刷電機參考設計論文

主要分為三個部分:空間矢量(SVPWM)控制、永磁同步控制(PMSM)、無刷直流電機控制(BLDC).

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第十部分:無刷電機學習視頻

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第十一部分:無刷電機實例源碼

第十二部分:無刷電機經典電子書

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