直流无刷电机及其驱动技术
无刷直流电动机及驱动系统设计
无刷直流电动机及驱动系统设计无刷直流电动机是一种能够将电能转化为机械能的电机，它不仅具有高效率、高功率密度、大扭矩和高转速等优点，同时还能在宽范围内调整转速和控制扭矩。
因此，无刷直流电动机及其驱动系统设计成为了工业应用和个人消费电子产品中常见的一种电机类型。
无刷直流电动机驱动系统由电机本体、功率器件、传感器、微控制器和控制算法等组成。
首先，电机本体是电机的核心部分，包括转子、定子、磁铁和绕组等。
转子是电机的运动部分，由永磁体和轴承支撑。
定子是电机的静止部分，由铁芯和绕组组成。
磁铁是电机的永磁体，产生磁场以与永磁体上的磁场相互作用。
绕组是由导线绕制的线圈，通过流过电流产生磁场。
其次，功率器件是驱动系统的关键部分，用于将电能从电源转化为机械能。
一般采用MOSFET或IGBT等功率器件，以实现高速开关和较高电流能力。
它们能够承受高电压和大电流，并快速切换，使得电机能够根据控制信号调整转速和扭矩。
传感器是驱动系统中用于检测电机位置和转速的重要组成部分。
常见的传感器有霍尔传感器、反电动势传感器和编码器等。
霍尔传感器通过检测磁场强度变化来确定转子的位置，反电动势传感器通过测量绕组中电流变化产生的反电动势来确定电机的转速，编码器则能够提供更准确的位置和速度信息。
微控制器是驱动系统中负责控制电机运行的核心部件。
它包含了控制算法、控制逻辑和通信接口等功能，通过与传感器和功率器件进行交互来实现对电机转速、扭矩和方向的精确控制。
微控制器能够根据输入的控制信号，通过调节电流和电压来控制电机的运行状态。
最后，控制算法是驱动系统的重要组成部分，在实际应用中起到至关重要的作用。
常见的控制算法包括PID控制、电流环控制、速度环控制和位置环控制等。
PID控制通过调整比例、积分和微分控制器的系数来达到稳定控制的效果。
电流环控制通过直接或间接测量电机电流，以控制电机的转矩和速度。
速度环控制通过测量电机转速，并根据所需转速和实际转速之间的差异来调整控制信号。
无刷直流电机驱动电路的实现方法
无刷直流电机驱动电路的实现方法文章标题：无刷直流电机驱动电路的实现方法导言:无刷直流电机具有高效、低噪声和长寿命等优点，广泛应用于工业自动化、电动车辆和家用电器等领域。
然而，为了实现无刷直流电机的高效运行，需要一个可靠而高效的驱动电路。
本文将介绍无刷直流电机驱动电路的实现方法，并探讨其中的关键技术和设计要点。
一、无刷直流电机驱动电路的基本原理无刷直流电机驱动电路是通过控制电机的相序和电流来实现电机的运转。
它主要由功率电子器件、控制电路和电源组成。
其中，功率电子器件用于控制电流的开关和调节，控制电路用于检测电机的位置和速度，并控制功率电子器件的工作。
电源则提供所需的电能。
二、无刷直流电机驱动电路的实现方法1. 直流电压源驱动法直流电压源驱动法是最简单、成本最低的无刷直流电机驱动方法之一。
它通过将电压源直接连接到电机的相，通过调节电压的极性和大小来控制电机的运转。
然而，由于缺乏对电机位置和速度的准确检测和控制，其控制性能较差，适用于一些简单的应用场景。
2. 舵机驱动法舵机驱动法通过使用传感器检测电机的位置和速度，并根据检测结果控制功率电子器件的工作，实现对电机的精确控制。
该方法通常包括位置传感器、速度传感器和控制模块。
然而，由于传感器的引入增加了系统的复杂性和成本，对传感器的精度和稳定性要求较高。
3. 无传感器驱动法无传感器驱动法是一种最为常用和成熟的无刷直流电机驱动方法。
它通过使用反电动势（Back EMF）来检测电机的位置和速度，并根据检测结果来控制功率电子器件的工作。
该方法不仅降低了系统的复杂性和成本，还提高了系统的可靠性和稳定性。
然而，由于反电动势的检测较为困难，需要一套复杂的算法和控制策略。
三、无刷直流电机驱动电路的关键技术1. 电子换向技术无刷直流电机的运转需要按照一定的相序来进行，电子换向技术是实现相序控制的关键。
它通过控制功率电子器件的工作来改变电流的方向和大小，从而实现电机的正常运转。
无刷直流电机驱动技术
驱动技术控制实训设备 28600一、参考图片（图片仅供参考，标准配置不含电脑）二、产品概述本装置是一种最为典型的驱动类机电技术产品，是为职业院校、职业教育培训机构及工厂技术人员而研制的，它适合机电一体化、自动化等相关专业的教学和培训。
该装置采用铝木结构，双控制系统，其上安装有交流伺服电机及驱动单元、步进电机及驱动单元、直流无刷电机及驱动单元、交流电机及变频调速单元、触摸屏单元、PLC及AD/DA单元、旋转编码器单元、位置控制系统及转动控制系统。
采用工业元器件，所有传感器、执行器、控制器接口开放，培训内容包含：PLC（数字量和模拟量）技术，旋转编码器技术、直流无刷电机特性研究、步进电机特性研究、交流伺服电机特性研究、特种电机控制技术、触摸屏技术、位置控制技术、转矩控制技术、速度控制技术、通讯控制技术、PID控制技术、模拟量控制技术、可编程控制技术、组态软件监控技术等。
模块化结构，所有控制电机的接线开放，安装尺寸完全一致，可做到电机互换，控制电平一致。
三、产品特点该设备有机融合了机电一体化专业学习中所涉及的伺服驱动技术、步进驱动技术、无刷直流电机驱动技术、变频调速技术、旋转测速技术、定位控制技术、触摸屏技术、可编程控制器等多项应用技术，为学生提供了一个典型的系统综合实训环境，使学生掌握的各项专业知识得到全面、综合的提升。
设备整体有铝合金实训台，各实训单元，位置控制系统及转动控制系统组成。
控制系统采用模块组合式，由PLC模块、触摸屏模块、电源模块和指令指示元件模块等组成。
实训系统和控制系统之间连接方便，可按实训需要对模块进行灵活组合、安装和调试。
该装置所有模块端子均采用采用高可靠护套结构手枪插连接线（不存在任何触电的可能），里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股铜，达到超软目的，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，具有柔软、耐高压、强度大、防硬化、韧性好等优点，插头采用实芯铜质件外套轻铜弹片，接触优良。
各指令开关、传感器和指示元件的电路通过端子排进行连接。
无刷直流电机的驱动电路
无刷直流电机的驱动电路一、无刷直流电机简介无刷直流电机是一种通过电子方式实现电机转子磁场与定子磁场的同步旋转，无需刷子与换向器来调整磁场方向的电机。
它具有高效率、高转矩密度、长寿命等优点，被广泛应用于工业、航空航天、交通工具等领域。
二、无刷直流电机的基本原理无刷直流电机的驱动主要是通过电子器件来控制电机的磁场和转子的位置。
基本原理如下： 1. 无刷直流电机的转子上安装有磁体，称为永磁体，用来产生转子磁场。
2. 定子上绕有若干个线圈，通过电流激励产生定子磁场。
3. 当定子磁场与转子磁场交叉时，产生转矩，使电机转动。
三、无刷直流电机的驱动电路设计要求设计无刷直流电机的驱动电路时，需要满足以下要求： 1. 高效率：电路应尽可能减少能量的损耗，以提高电机的效率。
2. 稳定性：电路应具有良好的稳定性，能够在各种工作条件下保持电机的正常运行。
3. 可调性：电路应具备可调节转速和转向的功能，以满足不同应用场景的需求。
4. 保护功能：电路应具备过流、过温等保护功能，以确保电机和电路的安全运行。
四、无刷直流电机的驱动电路设计方案4.1 无刷直流电机驱动电路的基本组成无刷直流电机的驱动电路通常由以下几部分组成： 1. 电源模块：提供电机驱动所需的电压和电流。
2. 电流检测模块：用于检测电机驱动电路中的电流情况，保护电机和电路的安全。
3. 电压转换模块：用于将电源提供的电压转换为电机所需的工作电压。
4. 逻辑控制模块：根据输入信号控制电机的转速和转向。
5. 保护模块：监测电机驱动电路的工作状态，当出现异常情况时进行相应的保护。
4.2 无刷直流电机驱动电路的工作原理无刷直流电机的驱动电路工作原理如下： 1. 逻辑控制模块接收输入信号，根据信号产生驱动电流的时序。
2. 驱动电流经过电流检测模块后，进入电机的定子线圈。
3. 电机定子线圈中的电流产生定子磁场，与转子磁场交叉产生转矩。
4. 电压转换模块将电源提供的电压转换为电机所需的工作电压。
直流无刷电机及其驱动技术
OVDCOND寄存器的值由霍尔传感器输出的二进制编码绕组通电顺序决定。
A+C- A+B- C+B- C+A- B+A- B+C-
例1 由单片机控制的BLDC系统：
例2 单片三相无刷直流电动机控制器SI9979
SI9979特点
霍尔传感器输入信号处理，60及120度间隔选择，提供霍尔传感器电源。 自动换相功能 集成逆变器高端驱动 PWM输入及处理 电流限制，欠电压保护 20到40电源电压
PMSM的问题
控制比直流伺服电机要复杂的多； 要想实现力矩控制，必须有角位置传感器，以测量d-q坐标系的旋转角； 反电势必须是正弦波的，这对电机制造及工艺提出了较高的要求。
反电势必须是正弦波的才能产生正弦电流
3.3 无刷直流电动机 （Brushless Direct Current Motor ,BLDC）
附：电角度和机械角度
机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示； 电角度是指磁场的旋转角度，由Θe表示。 当转子为一对极时，Θm=Θe； 当转子为n对极时，Θe=nΘm。
2. 工作原理
1）旋转磁场的产生 假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。
电流方向不同时，产生的磁场方向不同。 若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进，从B相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动势方向是不同的。
BLDC电机的机械特性曲线
在连续工作区，电机可被加载直至额定转矩Tr. 在电机起停阶段，需要额外的力矩克服负载惯性。这时可使其短时工作在短时工作区，只要其不超过电机峰值力矩Tp且在特性曲线之内即可。
4、PWM控制技术
为了使BLDC 电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电压。 利用PWM控制技术，通过控制PWM 信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速。 在控制系统中采用DSP或单片机时，可利用器件中的PWM产生模块产生PWM波形。 根据转速要求设定占空比，然后输出6路PWM信号，加到6个功率管上。 以dsPIC30F2010单片机为例：
直流无刷电机及驱动器介绍
技术部直流无刷电机及驱动器介绍---培训讲义编制/整理：徐兴强日期：2010-5-5一、产品技术特点1）既具有AC电机的优点：结构简单，运行可靠，维护方便等；2）又具有DC电机的优点：调速性能好，运行效率高，无励磁损耗等；3）同时，与DC有刷电机比较：无接触磨损，无火花，低噪音，无辐射干扰等；4）再有，与伺服电机比较：控制/驱动原理较简单，可灵活多变，且成本较低；有较高的成套性价比，实用性很强。
主要缺陷：低速启动时，有轻微震动；但不会失步（比较于步进电机）。
二、主要应用方面1）在精密电子设备和器械中的应用如：电脑硬盘的主轴驱动，激光打印机，复印机，医疗器械，卫星太阳能帆板驱动，医疗监控设备等。
2）在家用电器中的应用如：空调器、洗衣机、电热器、吸尘器、电风扇、搅拌机等。
3）在电瓶车/牵引机中的应用4）在工业系统中的应用如：工业缝纫机、纺织印花机、等等；5）在军事工业和航空航天中的应用三、特殊功能与性能分析# 典型特性曲线，如下：##由以上特性曲线可知：1）电机的最大转矩为启动和堵转时的转矩；2）在同一转速下，改变供电电压，可以改变电机的输出转矩；3）在相同转矩时，改变供电电压，可以改变电机的转速。
即：在驱动电路中，通过PWM方式改变供电电压的平均值，在保证转矩不变的情况下，可以实现对电机的平稳调速。
###BLDC与AC交流感应式电机相比，具有如下优点：1）转子采用永磁体，无需激励电流。
故，同样的电功率，可以获得更大的机械功率；2）转子无铜损，无铁损，发热更小；3）启动、堵转时力矩大，更适合于阀门打开、关闭瞬间需要力矩大的场合；4）电机的输出力矩与工作电压、电流成正比，从而可以简化力矩的检测电路，并更加可靠；5）利用PWM调制方式改变供电电压的平均值，可以实现平稳调速，使调速、驱动功率电路更加简单，综合成本降低；6）利用PWM调低供电电压来启动电机，可以有效减小启动电流；7）采用PWM调制的直流电压，相对于正弦交流电压，电磁辐射更小，对电网的谐波干扰更小；8）采用闭环转速控制电路，可在负载力矩变化时，保持电机的转速不变。
直流无刷电机驱动原理
直流无刷电机的工作原理直流无刷电机的优越性直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。
碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。
现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。
微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。
此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，PWM)…等。
直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
直流无刷电机的控制结构直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120．f / P。
在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。
直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。
也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图(1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。
无刷直流电机的原理与驱动
无刷直流电机的原理与驱动
无刷直流电机是一种将直流电能转变为机械能的设备。
它与传统的刷式直流电机相比，具有更高的效率、更长的寿命和更低的噪音。
无刷直流电机的工作原理主要涉及三个部分：转子、定子和驱动电路。
首先，转子是电机的旋转部件。
它由多个永磁体组成，这些永磁体将会产生磁场。
当电机给定电流时，转子中的磁场仍然保持不变。
其次，定子是电机的固定部件。
它包括绕组和传感器。
绕组是由三组线圈组成的，通常称为A、B、C相。
每个相都包含多个线圈，它们按特定的顺序连接在一起。
而传感器则用来检测转子位置，通常采用霍尔元件进行检测。
最后，驱动电路是控制电机运行的关键。
在无刷直流电机中，驱动电路必须能够根据转子的位置和速度来调整电流的方向和幅度。
这通常通过硬件或软件来实现。
当转子的位置发生改变时，传感器会发送信号给驱动电路，从而使电流按照正确的顺序通过绕组。
总结而言，无刷直流电机依靠转子的磁场和定子的绕组以及驱动电路的控制来实现电能到机械能的转换。
这种电机在许多领域有广泛的应用，例如汽车、工业自动化和家用电器等。
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PMSM定子绕组产生正弦型的反电势
BLDC的定子绕组产生的反电势是梯形波
附：电角度和机械角度
机械角度是指电机转子的旋转角度,由Θm表示； 电角度是指磁场的旋转角度，由Θe表示。 当转子为一对极时，Θm=Θe； 当转子为n对极时，Θe=nΘm。
2. 工作原理
1）旋转磁场的产生
假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。
1.A+B-
2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C-
6.A+C-
6步通电顺序
A
FA+C-
A
FA+B-
4
1
a 3
COM
FA+
6
FB-
FB+C-
FC-
FB-C+
FC+ FA-
FB+
c b B 2 5 C
B
FA-B+ FA-C+
C
1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周； 每步仅一个绕组被换相。
开关型霍尔传感器
霍尔元件+信号处理电路=霍尔传感器 利用霍尔效应，当施加的磁场达到“动作点”时， OC门输出低电压，称这种状态为“开”; 当施加磁场达到“释放点” 使OC门输出高电压， 称其为“关”
基于这个原理，可制成接近开关。
如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近 霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态； 当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍 然保持导通状态；只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出 才翻转为截止状态。 在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%。 如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的 电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。
3.3 无刷直流电动机
（Brushless Direct Current
Motor ,BLDC）
1、无刷直流电动机结构 2、无刷直流电动机工作原理 3、无刷直流电动机电机特性 4、PWM控制技术
1. 结构
由定子、转子、位置传感器及换相电路组成 定子采用叠片结构并在槽内铺设绕组的方式 定子绕组多采用三相并以星形方式连接
2）如何实现换相？
1.A+B-
2.C+B- 3.C+A-
4.B+A- 5. B+C-
6.A+C-
必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的 位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互 垂直的条件，就能取得最大转矩。 要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转 子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换 相点的位置即可。 在BLDC中，一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子 的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变器中6 个功率管的导通实现换相。
直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60 度按圆周分布。 如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度 电角度； 输出信号中高、低电平各占180度电角度。 如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输 出的三个信号可用3位二进制编码表示。
பைடு நூலகம்
100 000 001 011 111 110 100 000 001 011 111 110
将永磁体贴装在非导磁材料表面或镶嵌在其内构成。 大部分BLDC采用表面安装方式。 多为2到3对极的。 磁性材料多采用具有高磁通密度的稀土材料，如銣 铁硼等
结构上BLDC与PMSM有些相似，但有两点不同：
BLDC的转子磁极经专门的磁路设计，可获得梯形波的气 隙磁场。而 PMSM的气隙磁场是正弦波的。 BLDC的定子绕组结构使之产生的反电势是梯形波的。而 PMSM绕组结构产生正弦型的反电势。
1.A+B- 2.A+C- 3. B+C- 4. B+A- 5.C+ A- 6 .C+B 每相绕组中电流是正负交替的 由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流
3
2
4
电流流进
电流流出
1
5
6
直流有刷电机绕组中的电流实际上也是正负交替 的 ，只是从电刷外部看电流是单方向的。 直流有刷电机通过换向机构换向，直流无刷电机 通过霍尔开关及逆变器换相。
3）如何实现力矩的控制？
按照电机统一规律，必须保证θs-θr为90度，才能取得最大转矩。 因旋转磁场是60度增量，看来无法实现这个关系。 但通过适当的安排可实现平均90度的关系。 如果每一步都使离转子磁极120度的定子磁势所对应的绕组导通， 并且当转子转过60度后换相，如此重复每一步，则可使定子磁势 与转子磁势相差60-120度，平均90度。
每一个定子绕组回路与DC电机 电枢回路是类似的。 但其电压和电流都是在每半个电 周期中仅导通120度。 电机制作时保证其绕组内反电势 为梯形波，但平顶部分与电压和 电流同时出现，其极性也与电压 和电流一致。 从功率平衡的角度考虑
如果间隔60度，则输出波形相差60度电角度。 间隔120度与60度的二进制编码是不同的。
例：假定定子绕组为3相，转子为2对极，3个霍尔传感器间 隔 60度按圆周分布，由6只晶体管组成的桥式电路给电机供 电，分析其换相过程。 1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C从霍尔传感器输出 的二进制编码控制 6个功率管的导通， 可由逻辑电路实现， 也可由软件编程实 现。
A
a
COM
c b B C
A
N i
S S
a
N
图6-4
S i
B
COM
N
c b C
电流方向不同时，产生的磁场方向不同。 若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进， 从B相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动 势方向是不同的。
6步通电顺序
A
4
1
a 3
COM
6
c b B 2 5 C
三相绕组通电遵循如下规则： 每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个 绕组不导通； 通电顺序如下：
6步通电顺序
FA+C-
A
FA+B-
FA+ FB-
FB+C-
FC-
FB-C+
FC+ FA-
FB+
B
FA-B+
C
FA-C+
随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。 磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：1→2→3→4→5→6 磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：6→5→4→3→2→1 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-