无位置传感器无刷直流电机运行分析无刷电机检测仪无刷马达测试仪转速电流测试仪.pdf

无位置传感器无刷直流电机运行分析50V50A/100A30V5A无刷电机

检测仪无刷马达测试仪转速电流测试仪

1前言

直流电动机因其具有良好的调速性能，较宽的调速范围及简单的调速

方式被广泛应用在高性能的调速系统中(50V50A/100A30V5A无刷电机检测

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3)。

但是有刷电机的换相器不可避免的存在换相火花、机械噪音、可维护

性差等缺点。为了弥补有刷直流电机的这些不足，直流无刷电机

（BrushLessDCMotor，简称BLDC）应运而生。直流无刷电机不仅很

好的弥补了有刷直流电机的不足，性能上也完全可以和有刷直流电机

相媲美，所以越来越多的被应用在高性能伺服及家电等领域。

2无刷直流电机运行分析

2.1无刷直流电机结构

下图1为典型的电动车用电机，

图1直流无刷电机

图2给出无刷电机的转子永磁体模型图，

图2直流无刷电机永磁体充磁方向

无刷直流电机将永磁体粘接在转子铁心表面，采用集中绕组的方式，

组成了隐极式转子结构，转子永磁体所产生的主磁场分步接近于梯形
波，当转子以恒定的转速旋转时，由主磁场切割定子绕组，在每相定

子绕组中所感应电势的波形和主磁场基本保持一致，，为简化分析，

可以近似视其为梯形波，其平顶宽度为120°电角度，如下图3所示，

为了输出恒定的电磁功率或转矩，三相定子绕组必须加入六步的梯形

波或方波电流。

图3直流无刷电机三相反电势和电流波形通常情况下，无刷直流电机

都有三个固定在定子上的位置传感器（一般为hall）检测转子相对定

子的磁极位置，如图4所示反映出通过hall信号检测到的位置信号，

图中hall为120°安装方式。

图4直流无刷电机hall位置信号

2.2无刷直流电机工作原理

无刷直流电机控制系统不仅仅包括电机本体，还包括驱动电路和逆变

器，图5给出电力逆变器电路，电机简化为三个电感器件，采用Y连

接；图6给出预驱电路。

图5三相全桥逆变器

图6驱动器预驱电路电机运行的时候，三个hall信号通过一些处理之

后给到MCU，MCU再根据得到的hall位置信息，按照一定的顺序驱

动三相全桥逆变器中开关器件的通断，这样就可以获得六步梯形波的
定子电流，使定子绕组产生旋变磁场，定子磁场的平均旋转速度与转

子永磁体的转速同步，这样就会有有效的电磁转矩产生，转子连续旋

转。从原理上也可以看出，无刷直流电机的运行换相时刻与转子位置

息息相关。下面从转矩角度分析直流无刷电机的运行过程。对于直流

有刷电机来说，虽然转子在不停的旋转，但是由于定子侧的电刷位置

不变，所以定子产生的直流励磁磁势和转子侧的电枢磁势处

于静止状态，和也自然是相对静止状态。并且由于这两个磁
势在空间上互相垂直，确保了直流电动机可以产生最大的电磁转矩，

也具有良好的调速性能。而在实际应用中，有的应用为了方便，将直

流无刷电机的永磁体移到转子侧，把电枢绕组放到定子侧，定子侧的

三相电枢绕组是由三相全桥逆变器供电。定子绕组的供电频率是取决

于转子位置信息的，也就是定子的供电频率和转子转速是同步的，因

此，定子绕组产生的电枢磁势与转子永磁体产生的励磁磁势
相对静止。无刷直流电机逆变器的导通方式有很多种，以120°的两两

导通方式对运行过程进行分析。120°两两导通方式满足下面条件

A每隔60°换相一次；B每个开关器件导通120°；C任何瞬间有两

只开关器件同时导通。如上所述，开关管顺序为

图7六步通电状态定子磁势与转子磁势分布

上图7反应了定子绕组的合成磁势与转子永磁体磁势在不同的导通

时刻之间的空间位置关系。要使电动机产生最大的电磁转矩，必须让

转子磁势和定子磁势的轴线互相垂直；考虑到转子磁势轴线是连续变
化的，定子磁势的轴线是每隔60°电角度变化一次，这两个磁势是不

能一直保持垂直的，所以为了获得最大的电磁转矩，可以让定子磁势

和转子磁势的夹角一直在60°到120°电角度变化，这样，和的
夹角在平均意义上是接近90°的，也就是平均角度垂直。其实这个也

是电动机运行的基本原理，只有转子和定子磁场之间有夹角才会有力

的产生，夹角越接近90°电磁转矩越大（对隐极式电机来说）。

2.3无刷直流电机的无位置启动

由于位置传感器的安装会增加额外的陈本和体积，而且会受到环境温

度湿度等影响，所以无位置传感器（SensorLess）的控制方式越来越

被大家重视。对于无位置传感器的直流无刷电机控制，大家目前使用

的普遍是反电势检测法。但是反电势法有一个很致命的缺陷，就是在

电机启动状态和反电势很小的低速状态无法准确得到，也就无法准备

得到转子的相对