知识结构框图
一、无刷直流电动机的发展历史
1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机。
1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。
1962年试制成功了借助霍尔元件(霍尔效应转子位置传感器)来实现换相的无刷直流电机。
20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。
1968年，德国人W.Mieslinger（梅尔斯林格）提出采用电容移相实现换相的新方法。在此基础上，德国人R-
Hanitsch（哈尼茨）试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。
二、无刷直流电机分类
1、具有直流电机特性的无刷直流电机
反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电机，称为矩形波同步电机，又称无刷直流电机。这类电机由直流电源供
电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接触式换相。显然，
这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。
2、具有交流电机特性的无刷直流电机
反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，称为正弦波同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器
将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。因此，它们具有同步电机的各种运行特性。
三、 无刷直流电动机特点
1）容量范围大：可达400kw以上；
2）电压种类多：直流供电，交流高低电压均不受限制；
3）低频转矩大：低速可以达到理论转矩输出；
4）高精度运转：误差最高不超过1 r/min(不受电压变动或负载变动影响)；
5）高效率：所有调速装置中效率最高，比传统直流电机高出5~30%；
6）调速范围宽广；
7）过载容量高：负载转矩变动在200%以内输出转速不变；
8）体积弹性大:实际比异步电机尺寸小,可以做成各种形状；
9）可设计成外转子电机(定子旋转)；
10）转速弹性大；
11）制动特性良好,可以选用四象限运转；
12）可设计成全密闭型,ip-54,ip-65,防爆型等均可；
13）允许高频度快速激活,电机不发烫；
14）通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同,易于技术改造。
四、无刷直流电动机的基本构成与工作原理
1、 基本组成环节
直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体主要包括定子和转子两部分，定子绕组一般为多相，转子由永磁材料按一定极对数（2p = 2 , 4 ，… ）组成。A 相、B 相、C 相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相连，位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将
转子位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而
按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所
谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成
的“电动机系统”。
原理框图如上图所示。构成直流无刷电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，都是在
电动机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，直流无刷电动机中永久磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢
则装在定子上。
2、无刷电动机各主要部件的框图
直流无刷电动机的电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组，通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置
传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑分配关
系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。各相绕组导通的顺序和时间主要取决
于来自位置传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻
辑处理后才能去控制逻辑开关单元。
五、无刷直流电机基本工作原理
1、以三相直流无刷电动机半控桥电路原理图说明
此处采用光电器件作为位置传感器，以3个功率晶体管Vl 、V2 、V3 构成功率逻辑单元。3个光电器件VP1 、VP2 、
VP3 的安装位置各相差120°，均匀分布在电动机一端。假定此时光电器件VP1 被照射，从而使功率晶体管V1呈导通状
态，电流流入绕组A-A’，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按照顺时针方向转动。当转子极转过
120°，之后直接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着同时转动，并遮住VP1 而使VP2 受光照射，从而使晶体管V1 截止，
晶体管V2导通，电流从绕组A-A，断开而流入绕组B-B’，使得转子磁极继续朝着箭头方向转动，并带动遮光板同时朝顺
时针方向旋转。当转子磁机再次转过120°。之后，此时旋转遮光板已经遮住VP2而使VP3 受光照射，从而使晶体管V2
截止，晶体管V3 导通，电流流入绕组C-C’，于是驱动转子磁极继续朝着顺时针方向旋转过120。以后，重新开始下次
的360°旋转。
这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3 的控制下，一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换向。不难看出，在换向过程中，定子各相绕组在工作气隙中所形成的旋转磁场是跳跃式的，这种旋转磁场在360。的电角度范围内有3种磁状态，每种磁状态持续120。电角度。
2、下图为各相绕组的导通顺序示意图
3、常用的位置传感器
（1）、电磁式位置传感器
电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，主要有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。
（2）、光电式位置传感器
光电式传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成。光电式位置传感器产生的电
信号一般都较弱，需要经过放大才能去控制功率晶体管。 但它输出的是直流电信号，不必再进行整流，这是它的一个
优点。
（3）、磁敏式位置传感器
磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻
效应。目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。
采用霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机通常称为“霍尔无刷直流电动机”。 由于无刷直流电动机的转子是永磁
的， 就可以很方便地利用霍尔元件的“霍尔效应”检测转子的位置。
4、无刷直流电动机基本方程
为简化分析，以一台三相两极永磁电动机为例，并假设：
1） 定子绕组为60°相带整距集中绕组星形连接；
2） 忽略齿槽效应绕组均匀分布于光滑定子的内表面；
3） 忽略磁路饱和不计涡流和磁滞损耗；
4） 不考虑电枢反应气隙磁场分布近似矩形波其波形平顶宽度为120°电角度；
5） 转子上没有阻尼绕组永磁体不起阻尼作用。
5、.无刷直流电机的电压方程
定子三相绕组的电压平衡方程可表示为
六、直流无刷电动机的主回路
1、三相半控电路
常见的三相半控电路如图所示。
上图中，A 、B 、C为电动机定子三相绕组：VT1、VT2、VT3 为3 个大功率MOSFET 管，主要起开关作用；Hl 、H2
、H3 为来自转子位置传感器的信号。在三相半控电路中，要求位置传感器的输出信号1/3 周期为高电平，2/3 周期为
低电平，并要求各传感器之间的相位差也是1/ 3周期，如下图。
a、当转子磁钢的位置如上图a所示时，要求H1处于高电平，H2 、H3 都处于低电平；VF1 导通，A 相绕组通电，由左
手定则可知，在电磁力的作用下，转子沿顺时针方向旋转；
b、当转子磁钢转到上图b所示的位置时，H2处于高电平，H1、H3 都处于低电平，VF2导通，B相绕组通电，A相绕组
断电，在转子磁钢同B相绕组所产生的电磁力Fb的作用下，转子继续沿顺时针方向旋转；
c、到上图c所示的位置时，H3处于高电平，H1、H2 都处于低电平，VF3导通，C相绕组通电，在转子磁钢同C 相绕组
所产生的电磁力Fc的作用下，转子继续沿顺时针方向旋转，回到图a所示的位置。然后，继续重复上述过程。
和一般的直流电动机一样，在电动机起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定子绕组所产生的反电动势很小，因而
可能产生较大的电流。另外，三相半控电路虽然结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3 时间，
2 / 3 时间处于关断状态，没有得到充分的利用；在运行过程中其转矩的波动也较大。因此，在一些要求比较高的场
合，一般不使用三相半控电路。
2、三相丫形连接全控电路
下图给出了一种三相丫形连接的全控电路。图中，VT1-VT6 为6 个MOSFET功率管，起绕组的开关作用。VT1、VT3
、VT5 为P沟道MOSFET ，低电平时导通；VT2 、VT4 、VT6 为N 沟道MOSFET ，高电平时导通。
它们的通电方式又可分为两两导通方式和三三导通方式两种。
Y形连接绕组三相全控桥式电路
（1）、两两通电方式
VT6 VT1→VT1 VT2→VT2 VT3→VT3 VT4→VT4 VT5→VT5 VT6→VT6 VT1
流入绕组的电流为正电流，流出绕组的电流为负电流。
| 导通的功率器件 | 导通的绕组 |
|---|---|
| VT6 VT1 | A+ B- |
| VT1 VT2 | A+ C- |
| VT2 VT3 | B+ C- |
| VT3 VT4 | B+ A- |
| VT4 VT5 | C+ A- |
| VT5 VT6 | C+ B- |
全控电路和半控电路相比较，全控电路每相绕组的通电时间为整个周期的2/3的时间，而半控电路只有1/3的时间。
图示：
（2）、三三通电方式
VT6 VT1 VT2→VT1 VT2 VT3→VT2 VT3 VT4→VT3 VT4 VT5→VT4 VT5 VT6→VT5 VT6 VT1
流入绕组的电流为正电流，流出绕组的电流为负电流。
| 导通的功率器件 | 导通的绕组 |
|---|---|
| VT6 VT1 VT2 | iA+ 1/2iB- 1/2ic- |
| VT1 VT2 VT3 | 1/2iA+ 1/2iB+ 1/2ic- |
| VT2 VT3 VT4 | 1/2iA- iB+ 1/2ic- |
| VT3 VT4 VT5 | iA+ 1/2iB- 1/2ic |
| VT4 VT5 VT6 | C+ A- |
| VT5 VT6 VT1 | C+ B- |
图示：
七、无刷直流电动机控制系统原理及实现
1、常用的无位置传感器位置检测方法
2、无刷直流电动机控制系统原理
