为什么BLDC电机比步进电机更适用于工业及无人机场景？

科技 2024-12-04 17:01 广东

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BLDC电机在不同应用场景的难点和挑战都有所不同，例如伺服器要求高可靠性和精确控制、风机要求平滑启动和低噪音、吸尘器应用要求超高转速FOC控制、而电动工具则要求大扭力启动。

在工业控制场景中，机械臂和电动车等场景已经开始采用BLDC电机，BLDC电机的高效率特性能稳定降低工业设备使用过程中产生的电力消耗，实现节能降耗目标。

BLDC电机在工业控制方面的用途也非常广泛，例如BLDC电机在小型机器人，尤其是在制造以外的领域提供服务的“服务机器人”中得到广泛应用。“定位对于机器人很重要，不是应该使用随电脉冲数运行的步进电机吗？”或许会有人这么想。但是在力量控制方面，BLDC电机更合适。另外，若采用步进电机，像机器人手腕这样的构造要固定在某个位置需要提供相当大的电流。若是BLDC电机，则能配合外力只提供所需的电力，从而抑制电力的消耗。

一直以来，老年人电动车或高尔夫球车中大多采用简单的DC电机，但最近都开始采用具有良好控制性的高效率BLDC电机了，通过细微的控制，BLDC电机有效延长电池的持续时间。BLDC电机还适用于无人机中，尤其是多轴机架的无人机，由于它是通过改变螺旋桨的旋转数来控制飞行姿态的，因此能够精密控制旋转的BLDC电机很有优势。

我爱方案网配合原厂发展方案商生态，今天推荐基于极海APM32F030、小华HC32F460、HC32M140开发的BLDC电机控制方案，它能够帮助伺服、变频控制和电动自行车等领域应用的终端设备制造商选用即插即用方案PCBA。

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1.工业风机控制器方案

工业风机作为工业生产的重要设备，需要全面考虑具体工况条件及用途，对设计、制造和检测要求较高，而作为其控制元件的MCU芯片，则需要具有稳定、高效的性能，符合严苛的工业级可靠性指标、满足复杂工作环境温度要求。

应用场景

冷冻冷藏、矿山开采、冶金行业、设备生产、轨道交通乃至海洋工程等众多领域

方案框图

工作原理

MCU对输入到定子的电流信号进行采样，电流采样电路将获得的信号输出到APM32F030x8芯片，芯片通过电阻采样，检测定子绕组反电动势，估算当前转子位置，实现初始位置检测功能；芯片内部经计算并根据接收到的信号调节，可得所需的电机驱动电流及电压，再通过PWM输出，将信号输入到逆变电桥，实现对电机的精确控制。

方案优势

APM32F030x8工业风机方案主要分为基于芯片的控制核心、温度电路、PWM输出、电流采样、故障保护等电路。芯片丰富的通信外设接口，让该方案可连接屏幕显示、语音输出及启停按键，支持更人性化的人机交互。

方案具有增强型实时控制能力，以及丰富的外设资源，可通过多个接口采集风机各路信号，实现对机器的有效保护，保障设备在各类工作环境中稳定运行。

芯片可支持6路互补输出的16位PWM，提高电机控制的精准度；支持12位精度ADC采样，支持单/三电阻采样方式，可对电流进行精确采样监测，可实现有感、无感的FOC闭环控制。

2.电动两轮车控制方案

系统框图

极海两轮电动车控制器应用方案，支持有感FOC矢量控制策略，集成多路运放、比较器，极大地精简外围电路设计，降低外部干扰，同步实现高效率、低噪声APM32F035作为本方案的主控芯片，负责母线电压、电流、HALL等信号采样，执行电机控制逻辑，并接收上层应用下发的控制指令及回传运行状态反馈等

同步对母线电压以及电机的相电流信号进行ADC采样，输入至MCU内部进行处理，并结合TMR2提供捕获到的霍尔信号结合内部算法计算获取实际运行角度，进而执行内部电机算法逻辑控制，随后通过Timer1输出3对互补的PWM信号至驱动芯片以及功率器件，进而驱动电机运转，使电机更为高效、平稳、低声地运行。

方案特点

● FOC矢量控制，减少能耗，提高续航

● 集成运放和比较器，降低BOM成本

● 支持霍尔学习，绝对零度检测，60°/120°霍尔安装方式，节省开发步骤

● 支持霍尔补偿，提升电机运行效率

● 采用转矩控制，对于负载变化响应迅速，能够额定负载坡起

● 电子刹车和E-ABS，行驶更安全

● 支持显示屏串口和CAN通讯，满足高端应用需求

应用领域

可广泛应用于电动两轮车，冰箱压缩机，风机，水泵，电动工具，园林工具等领域。

3..电动自行车

方案简介：电动自行车电驱控制板方案以HC32M120为主控芯片，同MOS、Gate_Drivers、LDO及其他外围电路构成。主要功能：EBS、能量回馈、HDC、霍尔修复、相序自识别、一线通、三速、GB_25KM、1:1电动助力等。

方案特点：

48MHz主频、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER、温度范围：-40℃~105℃

丰富的基础函数库、SVPWM系统、电机专用控制库模块

FOC控制系统优势（正弦电流、转矩平稳、低噪音）

平地/坡道/溜坡/滑行/带载启动优势（启动转矩大、重载启动高可靠）

客制化控制流程优势（丰富的模块化电机库）

完善的系统保护功能（过流、过压、欠压、堵转、飞车、短路等保护）

4.电动工具方案

方案以HC32M140为主控芯片，基于无传感器六步换相控制算法，实现BLDC电机大扭矩启动和高速运行，保护功能齐全。

应用场景

适用于电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤等低压中小功率电动工具应用场景。

方案特点

48MHz主频、8KB RAM/128KB Flash内存资源、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER

基础功能：反电动势过零检测算法（支持ADC和比较器）、电流/电压采样

复杂工况：静止堵转启动、低速大扭矩运行、顺逆风启动、刹车功能

系统保护：过流保护、过压/欠压保护、长时间堵转保护

支持多种转速设定信号（PWM、ADC等）

应用场景

电钻、角磨机、冲击钻、电动扳手、电锤

5.高速吹风筒方案

方案简介：

高速吹风筒方案采用小华超低功耗HC32M120主控MCU，内置先进的无位置传感器FOC控制策略，实现连续平稳的风机调速系统，具备顺风、逆风、静止状态下无抖动即时启动功能，30cm距离测量运行噪音75db以下，为行业中上水平;启动稳定性好，一次启动成功率可达99.7%以上；运行效率高，220V机种，10.5万RPM最高风速档位运行，PCBA级实测输入功率92W，优于市场主流方案。

方案特点：

快速启动：启动稳定可靠，可在500ms内加速至额定转速

快速停机：采用主动刹车，无过压、过流风险，支持掉电刹车

高速控制：最高电转速可达2000+Hz

工作电压范围大：适用220VAC、110VAC、24VDC供电

丰富的保护功能：过欠压、过流、过功率、堵转、缺相等系统保护

应用场景：

吹风机、扫地机、吸尘器、冰箱、空调、洗衣机等大小家电领域。

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