无刷直流电机的原理和控制——介绍.
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无刷直流电机的原理和应用
The principle and application of Brushless DC Motor
December.2014
© 2009 Hogan & Hartson LLP. All rights reserved.
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
20
控制系统（十） 分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
模拟 控制 系统 控 制 器
基于专用集成电路 的控制系统
数模混合控制系统 数字 控制 系统
全数字控制系统
21
控制系统（十一）
用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有以下优点
使电路更简单 可以实现较复杂的控制 提高了控制的灵活性和适应性 无零点漂移，控制精度高 可提供人机界面，多机联网工作
19
控制系统（九）
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。
4
无刷电机优点（二）
无刷直流电机的高效率，高效区域大，功率和转矩密度高 ，功率因数（COSΦ ）接近1，系统效率＞90%,永磁无刷直 流电机在任何情况下转子都是同步运行，交流变频电机是 变频调速，无刷直流电机是调速变频，电机在同步转速下 运行，转子既无铜耗又无铁耗。 无刷直流电机具有低电压特性好，转矩过载特性强，启动 转矩大（堵转特性），启动电流小等优点。 宽调速﹑小体积﹑高效率和稳态转速误差小，自控式运行 的，可以重载启动，在负载突变时不会产生振荡和失步
9
基本原理（四）
10
基本原理（五）
11
控制系统源自文库一）
控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽 调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从 而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃 式旋转磁场。
12
+ VT1 US
控制系统（二）
VT3 VT5
7
A ’
电子开 关线路
V1
V2
V3
-
基本原理（二）
定子 永磁转子 传感器定子 传感器转子
无刷直流电动机结构
8
基本原理（三）
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变 一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三 相六状态 转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转 ——自同步电机
22
控制系统（十二）
80C196MC IR2130 栅极 驱动 电路 IGBT 逆 变 器
过电压、 过电流保 护电路
3
无刷电机优点（一）
有刷电机采用机械换向，寿命短﹑噪声大﹑产生电火花， 效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损 产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落轴承中，使轴承油加速 干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机连续使用一定时间 就需更换电机内碳刷。无刷电机以电子换向取代机械换向 ，无机械摩擦，无磨损，无电火花，免维护且能做到更加 密封等特点所以技术上要优于有刷电机。 无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕 铁硼材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三 相异步电动机缩小了一个机座号。
5
应用领域
汽车：空调；油泵电机；电动汽车驱动电机；电 动自行车；摩托车起动电机等
家用电器：变频空调；变频冰箱；变频洗衣机； 吸尘器；搅拌机等；
工业自动化设备：缝纫机；高档数控加工设备、 工业智能机器人、自动化生产流水线、自动纺织、 包装、冶金等； 精密电子设备和仪器：医疗器械；打印机；复印 机等； 其它：航空航天；兵器等;
15
控制系统（五）
对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的 开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电 路构成
16
控制系统（六）
逆变电路：功率开关管T1~T6、续流二极管D1~D6功率开 关管Tl~T6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及 MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能 功率模块IPM
17
控制系统（七）
驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大 ，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关 断的驱动信号。 驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些 参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的 正常工作。 开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同 ，因而对应的驱动电路也不同。
18
控制系统（八）
6
基本原理（一）
+
B ’ A C ’ B C
位置传 感器
无刷直 流电机
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。
2
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；
A
B
VT4 -
VT6
VT2
C
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
13
控制系统（三）
磁敏式
有位 置传 感器 检测 光电式
电磁式
接近开关式 正余弦变压器 编码器
14
控制系统（四）
无位 置传 感器 检测
反电动势检测
续流二极管工作状态检测 定子三次谐波检测 瞬时电压方程法
The principle and application of Brushless DC Motor
December.2014
© 2009 Hogan & Hartson LLP. All rights reserved.
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
20
控制系统（十） 分立元件加少量集 成电路构成的模拟 控制系统
模拟 控制 系统 控 制 器
基于专用集成电路 的控制系统
数模混合控制系统 数字 控制 系统
全数字控制系统
21
控制系统（十一）
用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有以下优点
使电路更简单 可以实现较复杂的控制 提高了控制的灵活性和适应性 无零点漂移，控制精度高 可提供人机界面，多机联网工作
19
控制系统（九）
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。
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无刷电机优点（二）
无刷直流电机的高效率，高效区域大，功率和转矩密度高 ，功率因数（COSΦ ）接近1，系统效率＞90%,永磁无刷直 流电机在任何情况下转子都是同步运行，交流变频电机是 变频调速，无刷直流电机是调速变频，电机在同步转速下 运行，转子既无铜耗又无铁耗。 无刷直流电机具有低电压特性好，转矩过载特性强，启动 转矩大（堵转特性），启动电流小等优点。 宽调速﹑小体积﹑高效率和稳态转速误差小，自控式运行 的，可以重载启动，在负载突变时不会产生振荡和失步
9
基本原理（四）
10
基本原理（五）
11
控制系统源自文库一）
控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽 调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从 而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃 式旋转磁场。
12
+ VT1 US
控制系统（二）
VT3 VT5
7
A ’
电子开 关线路
V1
V2
V3
-
基本原理（二）
定子 永磁转子 传感器定子 传感器转子
无刷直流电动机结构
8
基本原理（三）
转子每转过60o，逆变器开关管换流一次、定子磁状态改变 一次，电机有6个磁状态，三相各导通120o——两相导通三 相六状态 转子磁场顺时针连续旋转、定子磁场隔60O跳跃旋转 ——自同步电机
22
控制系统（十二）
80C196MC IR2130 栅极 驱动 电路 IGBT 逆 变 器
过电压、 过电流保 护电路
3
无刷电机优点（一）
有刷电机采用机械换向，寿命短﹑噪声大﹑产生电火花， 效率低。它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏。同时磨损 产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落轴承中，使轴承油加速 干涸，电机噪声进一步增大。有刷电机连续使用一定时间 就需更换电机内碳刷。无刷电机以电子换向取代机械换向 ，无机械摩擦，无磨损，无电火花，免维护且能做到更加 密封等特点所以技术上要优于有刷电机。 无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕 铁硼材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三 相异步电动机缩小了一个机座号。
5
应用领域
汽车：空调；油泵电机；电动汽车驱动电机；电 动自行车；摩托车起动电机等
家用电器：变频空调；变频冰箱；变频洗衣机； 吸尘器；搅拌机等；
工业自动化设备：缝纫机；高档数控加工设备、 工业智能机器人、自动化生产流水线、自动纺织、 包装、冶金等； 精密电子设备和仪器：医疗器械；打印机；复印 机等； 其它：航空航天；兵器等;
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控制系统（五）
对于单相交流电源供电、电机采用三相电枢绕组时，典型的 开关主电路通常由整流电路、滤波电路、缓冲电路和逆变电 路构成
16
控制系统（六）
逆变电路：功率开关管T1~T6、续流二极管D1~D6功率开 关管Tl~T6通常为GTR、功率MOSFET、IGBT、GTO以及 MCT等功率电子器件，也可以为功率集成电路PIC或智能 功率模块IPM
17
控制系统（七）
驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大 ，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关 断的驱动信号。 驱动电路的工作方式直接影响着开关管的一些 参数和特性，从而影响着整个电机控制系统的 正常工作。 开关管的种类不同，对驱动信号的要求也不同 ，因而对应的驱动电路也不同。
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控制系统（八）
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基本原理（一）
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B ’ A C ’ B C
位置传 感器
无刷直 流电机
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。
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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；
A
B
VT4 -
VT6
VT2
C
位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制这些 开关管的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通 方式和三三导通方式。
13
控制系统（三）
磁敏式
有位 置传 感器 检测 光电式
电磁式
接近开关式 正余弦变压器 编码器
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控制系统（四）
无位 置传 感器 检测
反电动势检测
续流二极管工作状态检测 定子三次谐波检测 瞬时电压方程法