直流无刷电机及其驱动技术教学教材

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。
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
绕组不导通；通电顺序为：
1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C 每步仅一个绕组被换相。 每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周。
FA+C-
A
FA+B-
FB+C-
FCFB+
FA+ FB-
FC+
FB-C+
B
FA-B+
FA-
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，电机逆时针旋转：6→5→4→3→2→1 1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-
多对转子磁极时霍尔传感器的输出波形及编码
当转子为两对磁极时，如转子旋转一周即360度机械角度时霍尔 传感器输出两个周波即720度电角度。
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。 例如，所示的BLDC 电机转子有两对磁极， 3个霍尔开关间隔60
直流无刷电机及其驱动技术
1. 结构
由定子、转子、检测转子磁极位置的传感器及换 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 。
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
假如电流从A相绕组流进，从B相绕组流出，A相绕 组产生从COM 端指向A端的磁势， B相绕组产生从 B端指向COM端的磁势。
6步通电顺序
A
A
FA+C-
FA+B-
4
1a
6 3
FB+C-
FA+
Fபைடு நூலகம்FC-
FB-C+
COM
c
FB+
FC+
b
B
2
5
B
C
FA-B+
FA-
C
FA-C+
为产生旋转磁场，三相绕组按按如下规则通电： 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
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。
3、力矩和速度的控制
当电机转子旋转时，由电磁感应 定律分别在三相定子绕组中产生 三个反电势。
反电势的大小取决于3个因素： 转子的角速度、由转子磁极产生 的磁场和定子绕组的匝数。
Ea=Eb=Ec=Keω
电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。
霍尔传感器间隔120度时的输出波形及编码
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 转子旋转180度后转子磁极极性转换，因此输出信号中高、
低电平各占180度。 如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出
永磁无刷直流电动机的转子磁极 经专门的磁路设计，可获得梯形 波的气隙磁场，定子采用集中整 距绕组，因而感应的电动势也是 梯形波的。
由逆变器提供与电动势严格同相 的方波电流。
L
R
ua
ia
e
从功率平衡的角度考虑
Tω=EaIa+EbIb+EcIc
又因为E=Keω,且在所有的时间 都只有两相绕组流过相同电流，
度。两周电气旋转对应于一周机械旋转。 每60度电角度编码改变一次。输出信号中高、低电平各占180度。
换相过程
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只晶体管组成的逆变器给电机供电。
1.A+C- 2.A+B- 3.C+ B- 4.C+A- 5.B+A- 6. B+C-
2. 工作原理
1）旋转磁场如何产生？
BLDC本质上是一种同步电机，即定子绕组通电产生旋转 磁场，吸引转子磁极与之对准，产生轴的运动。
假定电机定子为3相6极，相对应极的两个绕组首尾相接组 成一相绕组，3相绕组星型连接。
A
a
b B
COM
c
C
A
F
N
SS
N
a
i
图6-4
COM
S
N
c
i
b
B
C
当电流流过流过两个绕线方向相同的铁芯线圈时， 电流方向不同，产生的磁场方向也不同。
T=2KeIa 可见，力矩与定子绕组电流成正 比，改变电流即改变力矩。
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。
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” 施密特触发器通过引入“磁场门限”消除振荡现象。
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。 在无刷电机中，根据转子磁极的位置实现换相。
要想根据转子磁极的位置换相，就必须知道转子磁极 的位置。
并不需要连续的位置信息，仅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
的三个信号可用3位二进制编码表示。 每60度编码改变一次。
霍尔传感器间隔60度时的输出波形及编码
A
B C
111 110 100 000 001 011 111 110
如果3个霍尔开关间隔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。但也是 每60度电角度，编码改变一次，输出信号中高、 低电平各占180度。
无刷电机中霍尔传感器输出波形及编码
如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当转子N极靠近 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；
导通状态保持直到电机旋转使得S极靠近霍尔传感器并达到一定 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