无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。

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角坐标系统中，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。

无刷直流电机的特点特性

1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速;

2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构;

3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载;

4、体积小、重量轻、出力大;

5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小;

6、无级调速，调速范围广，过载能力强;

7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置;

8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。

9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单;

10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长;

11、不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型;

12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

无刷直流电机的选用

为实际应用选择合适的电机是至关重要的。根据电机的负载特性，需要确定合适的电机参数。其主要参数有以下几点：

(1)应用是的最大扭矩要求;

(2)平方根(RMS)扭矩需求;

(3)转速要求。

1、最大扭矩

最大的扭矩可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到。另外，还有一些额外的因素影响最大需求扭矩如：气隙空气的阻力等，这就需要至少20%的扭矩余量，综上所述，有以下等式：

TP = (TL TJ TF) * 1.2

TJ为电机启动或加速过程需要克服的转动力矩，其主要包括电机转子的转动力矩和负载的转动力矩，其表示为：

TJ = JL M * α

上式中α为加速度，JL M为定子和负载的转动力矩。 电机的机械轴决定电机的负载力矩和摩擦力。

2、平方根扭矩

可以近似的认为平方根扭矩为实际应用中需要的持续输出扭矩。它由很多因素决定：最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。下面的等式表示了平方根扭矩的计算，其中TA为加速时间、TD为减速时间和TR为运行时间。

TRMS = √ [{TP2 TA (TL TF)2TR (TJ – TL – TF)2 TD}/(TA TR TD)]

3、转速

这是有应用需求的转速。比如，吹风机的转速需求是，最高转速和平均转速相差不大，显然在一些点对点定位系统如传送带和机械臂系统中就需要大转速范围的电机，可以根据电机的转速梯形曲线()确定电机的转速需求。通常，由于其他因素，在计算电机转速需求的时候需要留有10%余量。

无刷直流电机的应用

BLDC的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，BLDC可以分为以下三种主要用途：

(1)持续负载应用

(2)可变负载应用

(3)定位应用

1、持续负载应用

这种应用主要用于那些需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风气等一类的应用。通常这类应用成本比较低且多是开环控制。

2、可变负载应用

这类主要指的是电机转速需要在某个范围内变化的应用，在这类应用中主要对电机的高转速特性和动态响应特性有更高的要求。家用器具中的洗衣机、甩干机和压缩机就是很好的例子。在汽车工业领域，油泵控制、电控制器、发动机控制和电子工具等也是很好的例子。在航空领域也有很多的应用，比如离心机、泵、机械臂、陀螺仪等等。这个领域中多使用电机反馈器件组成半开环和闭环进行控制。这就需要复杂的控制算法，增加了控制器的复杂程度也增加了系统成本。

3、定位应用

大多数的工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别。在这些应用中往往会完成能量的输送，如齿轮或者传送带，因此系统对电机的转速的动态响应和转矩有特别的要求，同时这些应用也可能需要随时的改变电机的转向，电机可能工作在匀速，加速，减少阶段，而且有可能在这些阶段中负载也在变化，所以这对控制器提出了更高的要求，通常这种控制使用闭环控制，甚至会有扭矩环、速度环和位置环三个控制环。测速时可能会用上光电编码器和一些同步设备。有时候这些传感器会被用于测量相对位置，也有时候用于测量绝对位置。过程控制、机械控制和运输控制很多都属于这类应用。

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。上世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机(以下简称BLDC)。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。 顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点。

BLDC(无刷直流电机)的结构

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=60.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：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转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器转成3相电压来驱动电机。换流器一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。

1、定子

BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见下图。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。

图2.1.1. BLDC内部结构

BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势(反电动势的相关介绍请参加EMF一节)不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如下图。

浅析无刷直流电机，无刷直流电机的工作原理及其结构构成

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另外还需要对反电动势的一点说明就是绕组的不同其相电流也是呈现梯形和正弦波形，可想而知正弦绕组由于波形平滑所以运行起来相对梯形绕组来说就更平稳一些。但是，正弦型绕组由于有更多绕组使得其在铜线的使用上就相对梯形绕组要多。

平时由于应用电压的不同，我们可以根据需要选择不同电压范围的无刷电机。48V及其以下应用电压的电机可以用在汽车、机器人、小型机械臂等方面。100V及其以上电压范围的电机可以用在专用器具、自动控制以及工业生产领域。

2、转子

定子是2至8对永磁体按照N极和S极交替排列在转子周围构成的(内转子型)，如果是外转子型BLDC那么就是贴在转子内壁咯。如图2.2.1所示;

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图2.2.1 转子磁极排布

3、霍尔传感器

与有刷直流电机不同，无刷直流电机使用电子方式换向。要使BLDC转起来，必须要按照一定的顺序给定子通电，那么我们就需要知道转子的位置以便按照通电次序给相应的定子线圈通电。定子的位置是由嵌入到定子的霍尔传感器感知的。通常会安排3个霍尔传感器在转子的旋转路径周围。无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。

霍尔效应：当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应更为明显，这样一侧聚集了电荷的导体会抵消磁场的这种影响，由于电荷在导体一侧的聚集，从而使得导体两侧产生电压，这种现象就称为霍尔效应，E.H霍尔在1879年发现了这一现象，故以此命名。

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图2.3.1 霍尔传感器测量原理

图 2.3.1显示了NS磁极交替排列的转子的横截面。霍尔元件安放在电机的固定位置，将霍尔元件安放到电机的定子是比较复杂的，因为如果安放时位置没有和转子的磁场相切那么就可能导致霍尔元件的测量值不能准确的反应转子当前的位置，鉴于以上原因，为了简化霍尔元件的安装，通常在电机的转子上安装一颗冗余的磁体，这个磁体专门用来感应霍尔元件，这样就能起到和转子磁体感应的相同效果，霍尔元件一般按照圆周安放在印刷电路板上并配备了调节盖，这样用户就可以根据磁场的方向非常方便的调节霍尔元件的位置以便使它工作在最佳状态。

霍尔元件位置的安排上，有60夹角和120夹角两种。基于这种摆放形式，BLDC的电流换向顺序由制造厂商制定，当我们控制电机的时候就需要用到这种换向顺序。

注意：霍尔元件的电压范围从4V到24V不等，电流范围从5mA到15mA不等，所以在考虑控制器时要考虑到霍尔元件的电流和电压要求。另外，霍尔元件输出集电极开路，使用时需要接上拉电阻。

无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。

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角坐标系统中，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。

1、操作原理

每一次换向都会有一组绕组处于正向通电;第二组反相通电;第三组不通电。转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为90?时会产生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为0，为了使转子不停的转动，那么就需要按顺序改变定子的磁场，就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。典型的“六步电流换向”顺序图展示了定子内绕组的通电次序。

2、转矩/转速特性

图 2.5.1 转矩和速度特性显示了转矩和转速特性。BLDC一共有两种转矩度量：最大转矩和额定转矩。当电机连续运转的时候表现出来的就是额定转矩。在无刷电机达到额定转速之前，转矩不变，无刷电机最高转速可以达到额定转速的150%，但是超速时电机的转矩会相应下降。

在实际的应用中，我们常常会让带负载的电机启动、停转和逆向运行，此时就需要比额定转矩更大的转矩。特别是当转子静止和反方向加速时启动电机，这个时候就需要更大的转矩来抵消负载和转子自身的惯性，这个时候就需要提供最大的转矩一直到电机进入正向转矩曲线阶段。

浅析无刷直流电机，无刷直流电机的工作原理及其结构构成

一种高精度采样及保护电路，该电路可以对无刷直流电机工作时的三相电流进行实时采集，以便于控制系统进行闭环控制，并对电机和控制系统快速实施保护。最后通过实验证明了该电路精度高、可靠性好，可以有效的保障控制系统和电机的正常运行。

在无刷直流电机控制系统中，电流采样及保护电路作为其中的一个反馈环节，作用是对电机运行时的电流进行实时检测采集，经过处理后，把电流信号转换为控制系统可以识别的小电压信号，让控制系统可以做出相应的控制和保护动作。由于电机电流是交流电流，因此电流采样及保护电路需要具备整流功能，普通整流电路的核心元件是具有单向导电性能的二极管，通常使用1个、2个或4个二极管组成半波、全波或者桥式整流电路。但二极管在小信号时表现为非线性，这将使整流的波形产生失真(小信号部分)，更为严重的是，二极管存在死区电压，在输人信号小于死区电压时，二极管并未导通，因此使输出信号产生严重畸变，引起误差，小信号时这种误差将不可忽略。为了提高精度，文中利用集成运放的放大作用和深度负反馈产生的特性来克服二极管的非线性造成的误差，为某型号无刷直流电机设计了一种可靠性高、精度高的采样保护电路。

1 高精度半波整流电路

整流电路是把正、负交变的电压转换为单极性电压的电路。本文的半波高精度整流电路是在比例放大电路中加入二极管，利用二极管的单向导电性实现正副两半周内引入不同深度的负反馈。按这种思路构成的半波高精度整流电路如图1所示。

半波高精度整流电路

图1 半波高精度整流电路

在ui》0期间(0～t1、t2～t3)。当ui还很小时，D1和D2均截止，运放处于开环状态，开环放大倍数很大。因此ui只需稍大，就会使u0‘足够大，且为正值。只要u0’大于0.7 V，就会使D1导通，而D2截止(a点为零电位)，因此D1和Rf串联引入了适度的负反馈，这时的电路相当于反相比例放大电路，因此输出为u0=-Rf/R1 * ui。输出u0与输入ui成比例关系，u0与波形-ui的形状相同，但按一定的比例放大或者缩小了，若R1=Rf，则u0=-ui。由以上分析可知，即使输入电压ui小于二极管的起始导通电压，仍有-Rf/R1输出。

在ui《0期间(t1～t2)。当|ui|还很小时，D1和D2均为导通，这时运算放大器处于开环状态，其开环放大倍数很大，因此|ui|只需稍大一些，运放输出u0’就会很大，且为负值，这使二极管D1截止、D2导通，D2的导通给运放引入了深度的负反馈。由于a点电位为零(虚地)，故u0’≈-0.7 V;而D1截止，且a点电位为零，故u0=0，即u0端波无波形。整个过程如图2所示。

半波整流波形图

图2 半波整流波形图

例如假设输入信号的频率为50 Hz，在该频率下运放的开环电压放大倍数为5x104，二极管的起始导通电压为0.5V，则最小整流电压(即输入信号)仅为10μA。也就是说只要输入信号大于10 μA，整流器就进入正常工作状态;而对于普通二极管半波整流器，输入电压必须大于0.5 V(5×105μV)才能正常工作，其输入电压是前者的5万倍，可见该电路大大提高了整流精度。图3为该整流电路的传输特性，它是一条过原点斜率为-Rf/R1的直线。

整流电路的传输特性

图3 整流电路的传输特性

2 电流采样及保护电路的设计

2.1 霍尔传感器

霍尔电流传感器是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足(互感器只适用于50 Hz工频测量;分流器无法进行隔离测量)，可测量任意波形的电流，精度高，动态性能好，工作频带宽，本文中的霍尔传感器采用莱姆(lem)公司的LF205-S，该型传感器的最大电流测量范围是：±200 A，有效测量范围是±100 A，当测量电流在有效范围之类时，输出电压是：±4 V，其测量精度达到1%，动态响应时间小于7μs，跟踪速度di/dt高于50A/μs。

2.2 TL082双运算放大器

TL082是一种通用的J—FET双运算放大器。其特点有：较低的输入偏置和偏移电流;输出设有短路保护;输入级具有较高的输入阻抗内建频率补偿电路，在电流保护电路设计中，使用TL082构成高精度半波整流电路和加法器，而由于TL082为双运算放大器，所以节省了控制板的空间，使得电路的设计更加的简洁和精巧。

2. 3 TL431三段可编程并联稳压二极管

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5 V)到36 V范围内的任何值(如图3)。该器件的典型动态阻抗为0.2 Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，输出为一个固定电压值，计算公式是：Vout=(R1+R2)x2.5/R2

TL431恒压5V输出电路图

图4 TL431恒压5V输出电路图

当R1取值为0的时候，R2可以省略，在本文中，使用TI431构成恒压电压源5 V，给比较器供电。

2.4 采样检测及保护电路的实现

由于霍尔传感器的体积相对较大，所以本文仅仅使用两个霍尔电流传感器对电机A、C两相绕组电流进行检测，将A、C相中的-100 A～100 A大电流转化为-4 V～4 V的小电压信号，再根据无刷直流电机三相电流的特性IA+IB+IC=0，计算得出IB=-(IA+IC)，因此B相电流可以通过对A、C相求和反相得到，从而可以减少霍尔电流传感器的使用数量，缩小体积，削减成本。如图5所示。

B相电流的实现

图5 B相电流的实现

再得到B相电流以后，分别对A、B、C三相相使用TL082构成的高精度半波整流模块进行半波整流，再将整流过的A、B、C三相电压信号求和反相，得到此时进入功率管电流的瞬时值所对应的电压值。

无刷直流电机电流采样保护电路结构图

图6 无刷直流电机电流采样保护电路结构图

在电机的运行过程中，该电路能实时测量电机的电流，并发出两路信号，一路输入到DSP的ADC模块中去，采样电机电流的数字值，从而可以方便的在DSP中实行电流的闭环PID调节。

另一路送到比较电路中，然后DSP采用了两种方式来对电机进行保护。一种是限流保护，当电流增大超过限流电流62.5 A(对应电压值为2.5 V)时，保护电路向CPLD发出限流信号，进而使控制芯片DSP启动相应的限流程序进行操作，调节PWM的占空比，来改变实际加载到电机两端的电压，改变电流大小;另一种是停机保护，如果电流由于某些原因，继续增大到停机电流80 A(对应电压值为3.2 V)时，DSP就会启动停机程序，立即关断所有的功率管，电机马上停止运行，这样可以防止由于电流过大而引起的对功率管或者电机的损坏，从而提高系统的可靠性。

2.5 实验结果

电流采样及保护电路实验波形如图7所示。

采样电路实验波形

图7 采样电路实验波形

在图7中通道1输入A相经过电流传感器后的波形曲线，通道2输入C相经过电流传感器后的波形曲线，通道1和通道2相位相差120。，幅值，通道3为A、B、C三相信号经过求和反相后的波形，平均幅值为1.48 V，符合理论分析结果。

3 结论

该电路利用了放大器的原理提出了一种高精度电流采样的方法，并且结合了过流保护、停机保护的功能，从而能保障无刷直流电机的安全运行。目前该电路已经应用于某型号无刷直流电机的控制系统中，实际应用中也证明这个电路可以对电机的实时电流进行高精度检测采样并且及时、可靠的保护好电机。