BLDC 馬達控制器採用電子換向技術來驅動無刷馬達。它們向繞組發送精確的電流脈衝，從而有效地控制轉速和扭矩。這些控制器可節省高達 92% 的能耗，遠優於有刷馬達。無刷馬達的轉子採用永久磁鐵，定子則採用繞組。控制器利用反電動勢 (BEMF) 來獲取轉子位置，從而正確地驅動電機，減少維修需求。了解無刷馬達控制器的工作原理有助於解決實際問題。這些問題通常出現在汽車、工廠和家用設備。研究表明，PID 等先進的控制方法對此大有裨益，它們能夠提高馬達響應速度和工作精度。學習這些系統對於新型無刷馬達設計至關重要。
關鍵要點
BLDC 馬達控制器採用電子換向技術，使無刷馬達運作良好。與有刷馬達相比，可節省高達 92% 的能源。
確定轉子位置對於平穩的馬達控制至關重要。霍爾效應感測器或無感測器感測器有助於實現這一點，並使馬達更好地工作。
選擇合適的馬達類型、繞組連接和控制器至關重要。您可以選擇基於感測器或無感測器的控制器。這有助於您的專案獲得所需的速度、扭矩和成本。
良好的電路設計 使用合適的電源部件和柵極驅動器。使用模糊邏輯或正弦換向等控制方法有助於延長馬達使用壽命並降低噪音。
一些常見問題包括轉子位置精度、無感測器啟動、功率處理和雜訊。選擇最佳控制演算法有助於馬達實現最佳性能。
BLDC 馬達控制器基礎知識
無刷馬達結構
無刷直流馬達與傳統馬達外觀不同。轉子採用永久磁鐵，定子採用繞組。這種設計無需電刷。其他馬達的電刷容易磨損。對比無刷直流電機和開關磁阻電機，你會發現它們之間有很大差異。下表顯示了它們的差異：
參數 | 開關磁阻馬達（SRM） | 無刷直流馬達（BLDC） |
|---|---|---|
額定扭矩（牛頓米） | 2.46 | 2.89 |
最大扭矩（牛米） | 3.81 | 11.50 |
最小扭力（Nm） | 1.16 | 5.31 |
平均扭力（Nm） | 2.21 | 8.42 |
啟動扭力（Nm） | 116.35 | 501.78 |
額定轉速 | 1928 | 1922 |
扭力波動（每單位） | 1.20 | 0.73 |
效率（％） | 94.57 | 91.90 |
無刷直流馬達運轉更平穩，扭力也更大。氣隙均勻，磁通分佈均勻，有助於降低扭力波動。這些特性有助於無刷直流馬達控制器更好地工作。
電子換向
無刷馬達控制器採用電子換向技術，控制無刷馬達。控制器依設定的順序向繞組傳送電流，產生磁場，驅動轉子旋轉。換向過程分為六個步驟。具體過程如下：
控制器從感測器或反電動勢獲取訊號。
它為正確的相繞組供電。
轉子隨磁場移動。
控制器再次執行此操作以實現平穩旋轉。
每個步驟每 60 電度變化一次。
時序圖顯示一個相位為高，一個相位為低，一個相位為關閉。這樣，馬達就能正常運作。這與無刷直流馬達控制器的預期工作方式相符。
轉子位置偵測
確定轉子的位置至關重要。無刷馬達控制器需要這一點才能正常運作。通常使用霍爾效應感測器。這些感測器彼此間隔 120 度。它們感應轉子磁場的變化。每個感測器每旋轉 10 度發出 120 個脈衝。這意味著每旋轉一圈有 90 個脈衝。這使得控制器能夠在最佳時間切換相位。您也可以使用其他感測器，例如光學或電感式感測器。霍爾感測器發出數位訊號。這些訊號不會受到雜訊幹擾。即使在惡劣環境下也能正常運作。這有助於無刷直流馬達控制器保持馬達以正確的速度平穩運行。良好的回饋是無刷直流馬達良好運作的必要條件。
提示：如果移動感測器或添加更多感測器，可以使無刷直流馬達系統更加準確、更快。
BLDC 的類型和應用
內跑者和外跑者
無刷直流馬達主要有兩種類型：內轉子馬達和外轉子馬達。內轉子馬達的轉子位於定子內部，這有助於降低馬達溫度，使其能夠在惡劣環境下正常工作。外轉子馬達的轉子位於定子外部，能夠提供更大的扭力和更快的油門反應。外轉子馬達通常成本更低、重量更輕，因此常用於機器人、無人機和遙控車。例如，外轉子馬達在 85% 負載下效率可達 70%，而內轉子馬達的效率僅為 72%。外轉子馬達在碰撞後也能保持更低的冷卻性能和更長的使用壽命。您應該選擇與您的馬達類型相符的控制器。
績效指標 | 外轉子電機 | 內轉電機 |
|---|---|---|
70%負載下的效率 | 85% | 72% |
功率重量比（500W） | 3.57 瓦/克 | 2.63 瓦/克 |
平均成本（美元） | $ 30- $ 60 | $ 70- $ 120 |
星形連接和三角形連接
BLDC 馬達採用星形或三角形繞組連接。星形連接在低速時扭力更大，效率也更高。三角形連接最高速度較快，但啟動時扭力較小。星形繞組阻抗更高，可以抑制不必要的電流並節省能源。三角形繞組使用較細的導線，可處理較大的電流。兩種類型都可以使用相同的控制器。您應該根據專案需求進行選擇。
星形連接使用的匝數較少，效率較高。
三角形連接可實現更高的速度和更細的電線。
六引線馬達可讓您在星形和三角形之間切換。
基於感測器和無感測器的控制器
BLDC 控制器可以是基於感測器的，也可以是無感測器的。基於感測器的控制器使用霍爾效應感測器來定位轉子位置。即使在低速下也能實現快速且準確的控制。無感測器控制器使用相電流或電壓來估算轉子位置。它們在高速下工作良好，但在低速下速度較慢。有些系統會同時使用這兩種類型以獲得最佳效果。請根據您的需求選擇控制器的速度和精度。
提示：基於感測器的控制器更適合低速運作。無感測器控制器更節能，且佈線更少。
常見用途
無刷直流馬達應用領域廣泛。在汽車領域，它們為電動車提供動力、控制轉向和煞車。在機器人領域，它們可以精確地移動手臂、車輪和夾爪。消費性電子產品在風扇、筆記型電腦和家用電器中使用無刷直流馬達。工廠則在泵浦、壓縮機和暖通空調系統中使用無刷直流馬達。大多數家用電器使用的馬達功率在0-750瓦之間。由於電動車和自動化程度的提高，亞太地區的馬達使用量最大。
產業/應用領域 | 關鍵應用 | 市場驅動因素/統計數據 |
|---|---|---|
汽車業 | 電動車、動力轉向、制動 | 到 29.3 年，市佔率將達到 2034%，電動車將強勁成長 |
機器人 | 手臂、輪子、夾爪、無人機 | 高扭力、高精度、節能 |
消費類電子產品 | 冷卻風扇、筆記型電腦、家用電器 | 體積小、效率高、需求不斷成長 |
工業 | 幫浦、壓縮機、暖通空調 | 能源效率、自動化 |
再生能源 | 風力渦輪機、太陽能板 | 再生能源產業蓬勃發展 |
您應該始終根據自身需求來配對 BLDC 馬達和控制器。這有助於您獲得最佳性能和可靠性。
BLDC馬達控制器電路設計
功率級組件
您可以使用半橋或半H橋設定來構成功率級。每相使用兩個開關，例如MOSFET、IGBT或GaN電晶體。這些開關控制電流在定子繞組中的流動方式。這種設定允許您分六個步驟為正確的繞組供電。這有助於馬達正常工作並節省能源。霍爾效應感測器通常用於定位轉子位置。這有助於控制器在最佳時間打開和關閉開關。這使得馬達運轉更快、更有效率。
半橋設置使電路更簡單。
MOSFET 和 GaN 開關切換速度快，且能耗低。
IGBT 適用於高壓大型馬達。
閘極驅動器和 MCU
閘極驅動器增強了微控制器發出的PWM訊號。微控制器是控制器的大腦，控制換向、速度和扭矩。柵極驅動器可幫助開關快速且安全地開啟和關閉。微控制器和閘極驅動器在許多設計中協同工作，這有助於滿足汽車安全規則。在電動車中，這種協同工作使系統更安全、更有效率。意法半導體等公司生產的驅動器能夠與微控制器良好配合，進而提高電路的穩定性和效率。
換向方法
您可以為控制器選擇梯形或正弦換向。梯形換向可同時為兩個繞組供電。這使得電路簡單，但在低速時可能會引起抖動。正弦換向採用平滑的電流變化，使馬達運轉更順暢，抖動更小。正弦換向通常使用脈寬調變 (PWM) 來實現更好的控制，這在高速下非常有用。測試表明，基於正弦的換向可實現更平穩的運行和更小的扭矩波動。
PWM 和速度控制
脈寬調變 (PWM) 對於控制速度和節能至關重要。 PWM 可以改變流向繞組的電流大小。閉環控制器利用回授改變 PWM 佔空比。即使負載變化，也能保持速度穩定。測試表明，模糊邏輯控制 (FLC) 在速度和扭矩控制方面優於 PID。 FLC 啟動更快、過衝更小、變化更平穩。硬體測試表明，良好的 PWM 和 FLC 可以使電路工作得更好、更可靠。
FLC 比 PID 更快達到正確的速度。
PWM 有助於控制電流和速度。
扭力越平穩，代表馬達運轉越好。
IC 與分立元件
您必須在積體電路 (IC) 和分離裝置之間做出選擇。整合模組節省時間和空間，但成本更高且靈活性較差。分立元件成本更低，並且允許您進行客製化設計。但它們的建置和測試時間更長。整合模組更安靜、體積更小。分立元件散熱性較好，可更換性較高。 TI 的 WEBENCH 等工具可協助您比較成本、尺寸和效能。
方面 | 整合式電源模組 | 分立元件設計 |
|---|---|---|
設計複雜性 | 降低 | 更高 |
價格 | 更高 | 降低 |
PCB封裝 | 較小 | 較大 |
噪音性能 | 降低 | 更高 |
熱管理 | 集中、優化 | 更好的分佈 |
靈活性 | 有限 | 大 |
上市時間 | 更快 | 慢點 |
穩定性 | 可能難以承受大負荷 | 更多的選擇 |
應用適合 | 空間受限，快速設計 | 大批量、成本敏感 |
提示：如果您希望快速完成且設計規模較小，請使用整合模組。如果您希望節省成本並進行自訂更改，請使用分立部件。
BLDC控制器挑戰
製作無刷直流馬達控制器並非易事。許多問題都會影響系統的運作。你必須解決諸如轉子位置檢測、無感測器運行、功率處理、噪音消除以及選擇合適的控制方法等問題。如果你了解這些問題，就能為任何應用打造更出色的無刷馬達系統。
BLDC 馬達速度控制器的製造挑戰
製作無刷直流馬達速度控制器時會遇到很多問題。您需要精確定位轉子位置，實現無感測器啟動，處理功率和噪音，並選擇最佳的控制方法。每個問題都會影響您的能耗和無刷馬達的運作性能。
確定轉子的位置通常需要感測器。感測器成本較高，容易損壞。
在低速和啟動時，沒有感測器的運作會很困難。
電源問題會導致馬達過熱並浪費能源。
噪音和震動會使馬達運轉不良，甚至損壞馬達。
複雜的控制方法需要精心的設定和更強大的硬體。
注意：反電動勢檢測是目前最好的無感測器方法，但在低速下效果不佳。您應該嘗試一些新的方法，例如磁鏈估計或自適應控制，以改進您的設計。
轉子位置精度
對於無刷直流馬達控制器來說，確定轉子的正確位置至關重要。如果位置錯誤，無刷馬達將無法正常運作。霍爾效應感測器雖然效果很好，但會使馬達體積更大，成本更高。無感測器方法利用馬達本身的訊號來估算位置，但在低速時效果不佳。
方法/技術 | 主要改進/功能 | 挑戰/注意事項 |
|---|---|---|
滑模觀測器（SMO） | 讓您無需感應器即可猜測轉子位置，從而節省金錢和空間。 | 由於馬達變化，低速時難以使用。 |
直接扭矩控制 (DTC) | 使用電流和反電動勢來降低錯誤和震動。 | 會使馬達抖動較大，切換速度也較大。 |
空間向量調變的直接轉矩控制 | 減少震動並保持穩定的切換速度，因此位置更精確。 | 需要大量的計算機能力，並且隨著時間的推移可能會出現錯誤。 |
定子電阻調整 | 透過猜測阻力來幫助低速行駛，這對於良好的控制是必要的。 | 當電阻改變訊號時，低速時非常重要。 |
飽和效應與短脈衝感測 | 使用特殊的磁性技巧和短脈衝來找到轉子位置並幫助馬達啟動。 | 阻止馬達在啟動時反向旋轉或晃動，並且無需感測器即可工作。 |
基於DSP的無感測器控制 | 智慧型 DSP 晶片使用電壓和電流來猜測位置。 | 無需感測器，因此更便宜、更準確。 |
新的研究表明，DSP 和智慧模型可以幫助更好地找到轉子的位置。這些方法利用電壓和電流來猜測轉子的位置，即使有雜訊。您可以獲得超過 90% 的準確率，這有助於您的無刷馬達更好地工作並發現問題。
無感應器啟動
對於無刷直流馬達速度控制器來說，無感測器啟動是最困難的事情之一。低速時，反電動勢訊號較弱，控制器無法準確監控轉子的位置。這可能會導致馬達失步、抖動或旋轉方向錯誤。
要解決此問題，您可以：
使用磁通鏈估計或查看電感以獲得更好的低速猜測。
嘗試利用短脈衝感應透過磁性技巧找到轉子位置。
混合智慧控製或人工智慧來幫助馬達更好地啟動。
這些想法可以幫助您的無刷馬達平穩啟動並節省能源，即使您不使用感測器。
電源和雜訊問題
對於無刷直流馬達速度控制器來說，處理功率和噪音是一個大問題。如果馬達冷卻不良，馬達可能會過熱、磨損並浪費能源。震動和噪音會使馬達性能下降，使用壽命縮短。
方面 | 簡介 |
|---|---|
功率/振動研究 | 緊密安裝可減少震動並節省電力。鬆散的馬達震動更大，浪費能源。 |
噪音測量 | 最大的噪音發生在3kHz附近，由磁力產生。良好的設計可以降低噪音，同時保持扭力。 |
務必將馬達擰緊，以防止震動並節省功耗。使用合理的設計設定可以降低噪音，尤其是在 0.8 至 5 kHz 之間。在安靜的房間內進行測試並使用電腦工具可以幫助您發現並解決噪音問題。馬達控制 IC（例如英飛凌的 MOTIX）將電源、通話和驅動器零件整合在一起，以節省能源並簡化您的設計。
先進的控制演算法
選擇正確的控制方法對於您的無刷直流馬達控制器至關重要。簡單的 PID 控制器在情況變化不大時效果很好，但如果情況變得異常或嘈雜，它們就無法正常工作。模糊邏輯控制 (FLC) 可以處理變化和噪聲，但設定起來比較困難。滑模控制 (SMC) 性能強勁，不會過衝，但可能會加快馬達磨損。
控制策略 | 主要優勢 | 應對的挑戰 | 限制 | 實施細節 |
|---|---|---|---|---|
PID控制器 | 當情況穩定時，操作簡單且效果良好；反應迅速。 | 適合簡單的工作；可能難以調整。 | 不適合處理奇怪的變化或噪音；可能會超調。 | 在 Arduino Mega 上使用；調整可能很棘手。 |
模糊邏輯控制（FLC） | 處理奇怪的變化和噪音；適應新事物。 | 適合處理棘手的工作；處理噪音和意外情況。 | 需要專家來制定規則；可能比較慢；不擅長應付突然的變化。 | 在 Arduino Mega 上測試；使用基於規則的邏輯。 |
滑模控制（SMC） | 抗變化能力強；無超調；非常精確。 | 處理奇怪的變化、噪音，而且非常穩定。 | 會導致馬達顫動和磨損；需要仔細設定。 | 在 Arduino Mega 上使用；在實驗室和電腦上進行測試。 |
您也可以使用混合控制器，例如具有智慧調優功能的模糊SMC或FOPID。這些新方法可以使扭力更平滑，保持速度穩定，並節省更多能源。基於觀察器的方法，例如滑動模式觀察器，可讓您無需感測器即可運作並節省成本。智慧調優，例如具有像群最佳化的ANFIS，在速度和電流方面比舊控制器效果更好。
混合控制器使扭矩更加平滑並有助於應對突然的變化。
基於觀察者的方法可以節省資金並使事情更加可靠。
智慧調節隨負載變化並節省更多能源。
提示：務必選擇適合您工作的控制方法。複雜的演算法可以讓您的無刷馬達運作得更好，但您可能需要更強大的硬體和更細緻的設定。
現在您已經了解了 BLDC 馬達控制器在各種場合的工作原理。透過正確的控制，您可以降低能耗，提高工作效率。這些控制器有助於節省機器人、汽車等設備的電力。務必努力節能、控制良好，並獲得良好的結果。為了達到最佳效果，請遵循以下簡短的清單：
選擇適合您工作的控制器。
檢查您使用了多少能源。
調整設定以獲得最佳效果。
檢查所有工作中是否有能源浪費。
學習新的方法來控制以獲得更好的結果。
如果您的工作很辛苦，請向專家尋求協助，以節省更多精力並取得更好的結果。
常見問題
使用 BLDC 馬達控制器的主要優勢是什麼？
效率更高，馬達壽命更長。 BLDC 控制器採用電子換向，因此不存在電刷磨損。這意味著您無需頻繁維修馬達。此外，您還可以更好地控制速度和扭矩。
您能運行沒有感測器的 BLDC 馬達嗎？
是的，您可以使用無感測器控制器。這些控制器透過偵測反電動勢來估算轉子的位置。這樣可以減少佈線，降低成本。但是，馬達在低速時精度會降低。
如何降低 BLDC 馬達系統的噪音？
你應該把馬達擰緊，並使用正弦換向。一個好的 PCB佈局 屏蔽線有助於阻止電氣噪音。在安靜的地方進行測試有助於發現並解決噪音問題。
如果您為 BLDC 馬達使用了錯誤的控制器會發生什麼情況？
您的馬達可能會過熱、工作不良，甚至損壞。請務必使用與您的馬達電壓、電流和換向類型相符的控制器。在連接任何組件之前，請務必查看資料表。
您需要特殊軟體來編程 BLDC 控制器嗎？
大多數高級控制器都需要編程。您可以使用公司提供的軟體來設定和調試控制器。一些簡單的控制器可以立即運行，但自訂設定則需要專用軟體。
