无刷直流电机原理

无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，简称 BLDCM）是指由方波电流驱动的、能够将直流电能转换成机械能 或将机械能转换成直流电能并且不含有碳刷的旋转电机。

• 基本结构

• 定子：是电动机的电枢，其上开有齿槽，齿槽数取决于转子的极数和相数，是它们的整数倍。在定子的铁芯中缠绕着对称的多相绕组，绕组可以接成星形或角形，各相绕组分别与逆变器中各开关管相连接。

• 转子：主要部分是具有一定磁极对数的永磁体，由永磁材料制成，作用是在电动机的气隙中建立一定强度的磁场。常见的有凸极式（外装式）和内嵌式（内装式）两种，前者电枢电感小，齿槽效应转矩小，常见于小容量的低速电机；后者气隙磁通密度大、磁通集中且不易受电枢反应影响，常见于大容量的高速电机。

• 电机控制部分：包含了检相、换相元件以及无刷电机控制器等。其中，转子位置传感器用于检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，从而提供给逆变电路正确的换相信息；换相信号处理电路通过对位置传感器信号和控制信号进行综合运算和逻辑处理，来获得对各相绕组的导通顺序以及合适的导通角度的逻辑信号；功率开关电路则由逆变桥电路、功率开关的栅极驱动电路、续流电路和吸收电路等组成，通过功率开关器件组成的桥式逆变电路或非桥式开关电路连接电动机的三相绕组，以接通或断开相绕组，实现各相绕组的正确换相以及完成控制指令。

• 工作原理

• 磁场产生与作用：直流无刷电机利用方波电流进行驱动控制。在方波电流作用下，逆变器功率管根据方波的高和低来实现导通或者关断，使电动机定子电枢产生按 60° 电角度持续前进的磁场，该磁场与转子上的永磁体相互作用，产生转矩，从而带动永磁转子持续不断地旋转。

• 三相桥式六状态工作方式：这是最常见的工作方式。在 360°（电气角）的一个电气周期内，三相绕组有六个导通状态，据此可以划分为六个区间。三相绕组的三个端连接在由六个大功率开关器件组成的三相桥式逆变器的三个桥臂上，绕组为星形接法时，在任意时刻，三相绕组中都一定有且只有两个绕组串联导电，其中一相为正向导通，另一相为反向导通。取任意一相绕组，其在一个电气周期内，正向导通、反向导通、不导通各占三分之一。

• 转矩产生：当电机转子恒速转动，电流为恒值时，由控制器电流环作用强迫该相电流为某一恒值。在理想情况下，无刷电机的气隙磁通密度分布促使每相绕组的反电动势波形为有平坦顶部的梯形波，梯形波的上顶角度接近 120°。在转子位置传感器作用下，该相电流导通 120° 范围和同相绕组反电动势波形平坦部分 120° 范围在相位上是完全重合的，从而保证了在该相电流导通时产生的电磁功率和电磁转矩保持为恒值。根据每相绕组正向导通和反向导通的对称性以及三相绕组的对称性，总合成的电磁转矩也为恒值，不随转角位置而变。

• 控制方式

• 开环控制：相对比较简单，仅通过转子位置传感器来获取转子的位置信息，从而保证转子位置与电动机换相同步。电动机的转速和电流由取决于电动机的以及所驱动负载的机械特性。当电压或着负载出现波动时，电动机的转速也会发生一定的波动，不能通过控制使其保持稳定。

• 闭环控制：常见的转速电流双闭环控制系统可以通过监测转子转速、和相电流的反馈信息来调节控制电流，从而获得更好的控制效果和更完善的控制功能，实现一定程度的稳速或调速控制。

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