无刷直流电动机控制共57页
第5章无刷直流电动机控制系统
图5-4 霍尔传感器的三相波形（120度）
三、三相直流无刷电动机的换相原理
图5-4表明，三相永磁无刷直流电 动机转子位置传感器输出信号Ha、 Hb、Hc在每360°电角度内给出了6 个代码，按其顺序排列，6个代码 是101、100、110、010、011、001。 当然，这一顺序与电动机的转动方 向有关，如果转向反了，代码出现 的顺序也将倒过来。 图5-5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路，也就是由6 只功率开关元件组成的三相H转子是由永磁材料制成的，是具有一定磁极对数的永磁体。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，但是这样定 子上的电枢通过直流电后，只能产生恒定的磁场，电动机依然转不起来。 为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样 才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁 磁场始终保持90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
B
Z
2 3 1 A 4 6
X
5
C
Y
图5-6 三相永磁无刷直流电动机 绕组结构图
可以通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程：
Ø 第一条途径是：利用“定子空间的扇区图” 来分析换相过程（6个扇 区对应6个代码） （p148）， ； Ø 第二条途径是：通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。
运用“定子空间扇区图”可以分析三相无刷直流电动机在360º 电角度内的换 相过程，从分析可以看出，定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60º 电角度，而转子当然是连续地运行的。 从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可以理解其换相 过程。基本思路是这样的：为了获得最大的转矩，应当使每相的反电势与该相的 电流的相位相同。 无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相 无刷电动机的换相过程，所得出的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都 是相同的。
无刷直流电机的原理和控制介绍
基本原理（一）
无刷直流电机组成部分：电机本体、位置传感器、电子开关线路； 电机本体在结构上与永磁同步电动机相似； 电子开关线路由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成； 电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，起机械换向器的换向作用。
基本原理（二）
无刷直流电动机结构
基本原理（三）
控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能： 1)对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合, 给驱动电路提供各开关管的斩波和选通信号, 实现电机的正反转及停车控制。 2)产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。 3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。 4)实现短路、过流和欠压等故障保护功能等。
目 录
发展历程 无刷直流电机的优势 应用领域 基本原理 控制技术
发展历程
初衷：克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相 发展过程：1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生；而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，1978年德国推出MAC无刷直流电动机及其驱动器的推出，标志着走入实用化阶段；之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机 发展方向：控制更精密；功率更大；无位置传感器；降低转矩波动；
控制系统（十）
控制器
模拟控制系统
数字控制系统
分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统
基于专用集成电路的控制系统
数模混合控制系统
全数字控制系统
控制系统（十一）
无刷直流电动机控制
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。
【引例】 无刷直流电动机在中小功率传动场合应用日益普及，如图7.1 衣车无刷节能电机系统
7.1无刷直流电机的发展及分类
7.1.1 无刷直流电机的发展历史 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。
图7.4 直流无刷电动机的组成框图
7.2.2 基本工作原理
用图7.2 的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。以后，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。以后，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。
直流无刷电机控制原理
二直流无刷电机工作原理及换向初始化直流无刷电机在结构上与三相永磁同步电动机相同，但控制原理却与直流有刷电动机相同。
直流有刷电机通过有刷换向使每个磁极下电枢导体的电流方向保持不变，从而产生能使电机连续旋转的转矩；直流无刷电机是通过电子换向使转子每个磁极下定子绕组导体电流的方向保持不变而产生能使电机连续旋转的转矩。
由于采用电子无刷换向代替直流有刷电机的有刷换向，所以交流永磁同步伺服电机又称直流无刷伺服电机。
直流有刷电动机必须正确调整换向电刷的机械位置才能使电机工作正常。
同样，直流无刷电机加电时必须建立正确的初始换向角，才能使直流无刷电机正常工作。
确定初始换向角的过程称为无刷换向的初始化过程。
为了了解换向初始化过程，必须先了解直流无刷电机的控制原理。
1. 直流无刷电机的控制原理1.1 直流有刷电机的工作原理直流有刷电机由定子（产生主磁场）、转子（电枢）和换向装置（换向片和电刷）组成。
直流有刷电机通过有刷换向使主磁极下的电枢导体的电流方向保持不变，从而使产生转矩的方向不变，使电动机的转子能连续旋转。
为了使直流有刷电动机在电枢绕组流过电流时能产生最大转矩，必须正确调整有刷换向装置中电刷的位置。
下面进行较为详细的讨论。
（1）有刷换向装置的作用有刷换向装置由电刷和换向片组成。
直流有刷电机的电枢绕组为环形绕组，主磁极下的每个电枢导体连接到换向片上。
换向片为彼此绝缘，均匀分布在换向器圆周上的金属片组成。
电刷与换向片滑动接触。
电枢电流通过电刷和连接电枢导体的换向片引入电枢绕组。
电枢旋转时，电刷和换向片就象一个活动接头一样始终与主磁极下的导体连接，使主磁极下电枢导体的电流方向不变，产生使电枢连续旋转的转矩。
（2）产生最大转矩的条件产生最大转矩的条件是：一个磁极下的所有电枢导体的电流方向一致。
或者说，电枢导体产生的合成磁场与主磁场垂直。
（3）直流有刷电机的运行直流有刷电机的运行可用四个基本方程式来描述：①转矩平衡方程式：电流I M流过电枢绕组，载流导体在磁场中受力（受力方向用左手法则判断），产生能使电枢连续旋转的转矩T M。
无刷直流电动机控制系统课件
针对电机在实验中表现出的稳 定性不足的问题，可以增强系 统的稳定性以提高其运行可靠 性。例如，增加保护电路或改 进散热设计等。
06 无刷直流电动机控制系统 的发展趋势与展望
技术创新与进步
数字化控制
采用先进的数字信号处理器和控制器，实现无刷直流电动机的高 性能控制，提高系统精度和稳定性。
智能传感技术
航空航天
无刷直流电动机控制系统在航空航 天领域中也得到了广泛的应用，如 无人机、直升机、卫星等。
汽车电子
无刷直流电动机控制系统在汽车电 子领域中也有广泛的应用，如汽车 空调、电动车窗、电动座椅等。
02 无刷直流电动机控制系统 的工作原理
无刷直流电动机的工作原理
结构特点
无刷直流电动机主要由电机本体、位置传感器和电子换向器 组成。电机本体具有多个线圈，电子换向器通过晶体管控制 电流的流向，实现电机的旋转。
通信协议调试
对通信协议进行调试，确保通信的稳定性和可靠性。
调试与优化
系统调试
对整个无刷直流电动机控制系统进行调试，包括 硬件电路、软件程序和通信等。
性能测试
对控制系统的性能进行测试，包括响应时间、稳 态误差等指标。
优化建议
根据调试和性能测试的结果，提出优化建议，进 一步提高控制系统的性能。
05 无刷直流电动机控制系统 的性能测试与评估
应用磁编码器、光电编码器等传感器，实现对无刷直流电动机的精 确速度和位置控制。
容错控制技术
引入多种传感器和算法，提高系统的容错能力，确保无刷直流电动 机在故障情况下的安全运行。
应用领域拓展
工业自动化
随着工业自动化水平的提高，无刷直流电动机控制系统在 机器人、数控机床等领域的应用不断扩大。
无刷电机控制
图中H1\H2\H3为三个安放在励磁线圈气隙处的Hall传感器，作为检测磁场的元器件，可以根据磁场 方向变换电压，其输出为数字信号。我们便可以根据返回的三位二进制数字来判断转子的转动状态。 只要通电，Hall传感器即会返回当前转子的状态，而根据这个状态，按照下一时序对定子线圈进行 通电，转子磁场和定子磁场一定有夹角，其一定会转起来。只需要按照Hall传感器发回的工作状态 执行下一步的命令即可。所以只需要按照一定顺序给三对MOS管通电或断电即可实现三相BLDC的 转动。
2.六步换向原理 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5.B+C- 6.A+C按 1-2-3-4-5-6 顺序通电，绕组产生磁场顺时针旋转，吸引电 机转子顺时针旋转 按 1-6-5-4-3-2 顺序通电，绕组产生磁场逆时针旋转，吸引电 机转子逆时针旋转 注 1: 本例绕组 ABC 是按逆时针排列的，按 1->6 通电是正转， 按 6->1 转是反转。 2: 若绕组 ABC 改为顺时针排列，则还按上述控制，正反转刚 好逆转。 加入霍尔传感器 (或借助反电动势 )，获得位置信号后，就可 从正转 /反转的 HALL 值-驱
三.六步换向原理
1.霍尔传感器 无刷电机采用锁存型霍尔传感器， 一般要求霍尔标志面朝向 转子永磁铁放置， 这样当正 对永磁体的 S 极时，其输出为逻辑 0，当朝向 N 极时，其输 出改变为逻辑 1。 霍尔信号线颜色为 : 红色 (正)、黑色 (负)、黄色 (HA) 、绿色 (HB) 、蓝色 (HC) 计算霍尔值时， HA HB HC 从高到低依次排列， HA 在高位 HC 在低位。
3.换向实列
正转 (CW 顺时针 )换相 : A+B- > A+C- > B+ C- > B+A- > C+A-> C+B(HALL 排列正确的话，霍尔应按 5->4->6->2->3->1 次序变化 ) 反转 (CCW 逆时针 )换相 : B+C- > A+C- > A+B- > C+B- > C+A-> B+A(HALL 排列正确的话，霍尔应按 1->3->2->6->4->5 次序变化 )
无刷直流电动机的控制方法
无刷直流电动机的控制方法无刷直流电动机的控制方法主要有以下三种：
1、方波控制。
通过霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置，然后根据转子的位置在360°的电气周期内进行6次换向。
方波控制的位置精度是电气60°，适用于对电机转动性能要求不高的场合。
2、正弦波控制。
使用SVPWM波，输出的是3相正弦波电压，电机相电流为正弦波电流。
正弦波控制相比方波控制，其转矩波动较小，电流谐波少。
3、FOC控制。
FOC控制可以认为是正弦波控制的升级版本，实现了电流矢量的控制，也即实现了电机定子磁场的矢量控制。
直流无刷电动机原理与控制
序言一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装臵，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。
其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。
由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动机。
针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。
经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。
上世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。
由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各领域应用日益普及。
三相直流无刷电动机的基本组成直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位臵传感器和电子开关线路三部分组成。
其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成。
图1所示为三相两极直流无刷电机结构，图1 三相两极直流无刷电机组成三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。
位臵传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位臵传感器将转子磁钢位臵变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位臵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。
直流无刷电机的原理与控制.(DOC)
直流无刷电机在各个方面得到广泛的应用，处处都可以见到它们的踪影，种类也很繁多，因为本人从事的是电动车方面的行业，故在这里我们主要讲讲电动车上直流无刷电机的原理和控制它的结构图如下：（这是一个小型直流无刷电机的结构图，是本人根据实物，用WINDOWS画图板一笔一画绘制，发了不少心血，未经同意，不得转载）当然电动车上的无刷电机线圈更多，不过和下面介绍的原理是一样的。
这样做的目的是为了简化，同时也是为了使大家更易于理解。
其实无刷电机的原理很简单，概括的说就是：当给内置霍耳传感器接通电源时，这些霍耳传感器将信号输入到控制器其实这些信号间接反映了转子所处的位置控制器对这些信号经过判断之后，作出相应的输出，并给相应的线圈通电，通电产生了磁场。
因为同性相斥，异性想吸的原理，定子和转子就相对移动。
普通无刷电机的定子是线圈（上面连有霍耳传感器），于是转子（磁钢及轮子）受迫转动。
转子一转动，内置霍耳传感器的输出信号便发生改变，控制器又输出不同方向的电流而该输出产生的磁场又刚好再次和固定磁场（磁钢）同性相斥，异性相吸，结果再次迫使转子转动，接着霍耳传感器的输出信号又再次发生改变.......这样周而复使，轮子就不断转动（每次霍耳信号改变，控制器产生的电流方向要与电机所要求的一致才行，也就是相序要匹配，轮子才会朝一个方向运动）。
文笔不好，概括不全，请大家莫怪。
电机内部霍耳传感器的正电源线即红线一般接5－12v直流电。
而以5V居多。
霍耳的信号线传递电机里面磁钢相对于线圈的位置，根据三个霍耳的信号控制器能知道此时应该如何给电机的线圈供电（不同的霍耳信号，应该给电机线圈提供相对应方向的电流），就是说霍耳状态不一样，线圈的电流方向不一样。
二，无刷电机的运行原理霍耳信号传递给控制器，控制器通过电机相线（粗线，不是霍耳线）给电机线圈供电，电机旋转，磁钢与线圈（准确的说是缠在定子上的线圈，其实霍耳一般安装在定子上）发生转动，霍耳感应出新的位置信号，控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电，电机继续旋转（线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应的改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向运动，不然电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这就是电子换相。