无刷直流电机传感器及驱动剖析
反电动势法无位置传感器无刷直流电动机控制原理
反电动势法无位置传感器无刷直流电动机控制原理1. 引言大家好，今天咱们来聊聊一个有趣又复杂的话题，那就是无刷直流电动机的控制原理。
听起来可能有点深奥，但别担心，我会尽量把它讲得简单易懂。
你知道吗，这种电动机在生活中可是随处可见，比如咱们的电动车、风扇，还有玩具车，真是名副其实的“万金油”啊！而说到控制这些电动机，反电动势法可谓是个绝妙的选择。
好，我们不啰嗦，赶紧进入正题吧！2. 无刷直流电动机的基础知识2.1 什么是无刷直流电动机？首先，得给大家科普一下，什么是无刷直流电动机。
顾名思义，这种电动机没有传统的刷子。
传统电动机就像一位大厨，得靠刷子来翻炒食材，而无刷电动机就像一台现代化的烤箱，省心又省力。
它的工作原理是通过电磁场的变化来驱动转子运动，这样一来，就能减少摩擦，降低能耗，噪音也小，真是个“安静”的家伙！2.2 反电动势是什么？接下来，我们聊聊反电动势。
这个名字听起来很吓人，其实它就像是一位“调皮的小鬼”，在电动机工作时，会逆着电流的方向产生一种电压。
这种反电动势就像是电动机在努力工作时，给自己制造的一种保护机制。
就好比一个人努力跑步时，突然感到累了，身体会自然而然地减速，反电动势就是这种“减速”效果的体现。
3. 反电动势法的控制原理3.1 如何实现控制？那么，反电动势法到底是怎么控制电动机的呢？其实，这个过程简单得令人惊讶。
控制器会实时监测电动机的反电动势，通过这个信号，判断电动机的转速和位置。
就像一个教练在旁边观察运动员的表现，根据运动员的状态调整训练方案。
这样一来，电动机就能在没有位置传感器的情况下，精准地控制转速，真是一举两得。
3.2 优势与挑战使用反电动势法的好处可多了，首先，省去了位置传感器这个“累赘”，降低了系统的复杂性，成本也随之降低。
其次，由于没有刷子，电动机的寿命大大延长，维护起来也更方便。
不过，挑战也是有的。
比如，启动时电动机的反电动势比较小，控制器可能一时之间“抓瞎”，这时候就需要一些聪明的控制算法来帮忙。
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。
无刷电机工作及控制原理(图解)
无刷电机工作及控制原理（图解)左手定则，这个是电机转动受力分析的基础，简单说就是磁场中的载流导体,会受到力的作用。
让磁感线穿过手掌正面,手指方向为电流方向,大拇指方向为产生磁力的方向，我相信喜欢玩模型的人都还有一定物理基础的哈哈。
让磁感线穿过掌心,大拇指方向为运动方向,手指方向为产生的电动势方向。
为什么要讲感生电动势呢?不知道大家有没有类似的经历，把电机的三相线合在一起，用手去转动电机会发现阻力非常大,这就是因为在转动电机过程中产生了感生电动势，从而产生电流，磁场中电流流过导体又会产生和转动方向相反的力,大家就会感觉转动有很大的阻力。
不信可以试试。
三相线分开,电机可以轻松转动三相线合并，电机转动阻力非常大右手螺旋定则,用右手握住通电螺线管,使四指弯曲与电流方向一致,那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N极。
状态1当两头的线圈通上电流时，根据右手螺旋定则,会产生方向指向右的外加磁感应强度B(如粗箭头方向所示),而中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转了。
当转子磁场方向与外部磁场方向垂直时，转子所受的转动力矩最大。
注意这里说的是“力矩”最大,而不是“力”最大。
诚然,在转子磁场与外部磁场方向一致时,转子所受磁力最大,但此时转子呈水平状态,力臂为0,当然也就不会转动了。
补充一句,力矩是力与力臂的乘积。
其中一个为零,乘积就为零了。
当转子转到水平位置时，虽然不再受到转动力矩的作用,但由于惯性原因，还会继续顺时针转动，这时若改变两头螺线管的电流方向，如下图所示，转子就会继续顺时针向前转动，状态２如此不断改变两头螺线管的电流方向，内转子就会不停转起来了。
改变电流方向的这一动作，就叫做换相。
补充一句:何时换相只与转子的位置有关，而与其他任何量无直接关系。
第二部分：三相二极内转子电机一般来说，定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式,而“三相星形联结的二二导通方式”最为常用,这里就用该模型来做个简单分析。
直流无刷电机驱动原理
直流无刷电机驱动原理直流无刷电机（BLDC）是一种新型的电机，它采用了电子换向技术，相较于传统的有刷直流电机，具有更高的效率、更低的噪音和更长的使用寿命。
在现代工业和家用电器中，直流无刷电机已经得到了广泛的应用，如电动汽车、空调、洗衣机等领域。
本文将介绍直流无刷电机的驱动原理，帮助读者更好地理解和应用这一技术。
直流无刷电机的驱动原理主要包括三个方面，电子换向、PWM调速和闭环控制。
首先，我们来介绍电子换向技术。
传统的有刷直流电机通过机械换向实现电流的反向，而直流无刷电机则通过内置的传感器或者霍尔传感器来检测转子位置，从而实现电子换向。
当转子转动到特定位置时，电机控制器会根据传感器信号来切换电流的方向，使得电机能够持续地旋转。
这种电子换向技术不仅提高了电机的效率，还减少了摩擦和磨损，延长了电机的使用寿命。
其次，PWM调速是直流无刷电机的另一个重要驱动原理。
PWM（脉冲宽度调制）是一种调节电机转速的方法，通过改变电机输入的脉冲宽度和频率来控制电机的转速。
当需要调节电机转速时，控制器会改变PWM信号的占空比，从而改变电机的平均电压和电流，实现电机的调速功能。
这种调速方式不仅响应速度快，而且能够有效地节能减排，符合现代工业对节能环保的要求。
最后，闭环控制是直流无刷电机驱动的关键技术之一。
闭环控制通过传感器实时监测电机的转速和位置，将监测到的信号反馈给控制器，从而实现对电机的精准控制。
在一些对转速和位置要求较高的应用中，闭环控制能够保证电机的稳定性和精度，提高了电机的性能和可靠性。
总之，直流无刷电机的驱动原理涉及到电子换向、PWM调速和闭环控制这三个方面。
通过这些技术手段，直流无刷电机能够实现高效、低噪音、长寿命的工作特性，广泛应用于各个领域。
希望本文能够帮助读者更好地理解直流无刷电机的驱动原理，为相关领域的工程师和技术人员提供参考和借鉴。
直流无刷电机驱动原理
直流无刷电机驱动原理直流无刷电机（Brushless DC Motor，简称BLDC）是一种通过电子器件控制转子转动的电机。
与传统的有刷直流电机相比，直流无刷电机具有结构简单、寿命长、效率高等优点，因此在许多领域得到广泛应用，如家电、汽车、航空航天等。
直流无刷电机的驱动原理主要包括电机结构、电机控制器和传感器三个方面。
首先，直流无刷电机的结构由转子和定子组成。
转子上的永磁体产生磁场，而定子上的线圈通过电流产生磁场。
当电流通过定子线圈时，定子磁场与转子磁场相互作用，产生转矩，从而驱动转子转动。
其次，直流无刷电机的控制器是实现电机转动的关键。
控制器主要由功率电子器件和控制电路组成。
功率电子器件包括MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT（绝缘栅双极型晶体管），用于控制电流的通断。
控制电路则根据传感器反馈的信息，控制功率电子器件的开关状态，从而实现对电机的控制。
最后，直流无刷电机的传感器用于检测电机的转子位置和速度。
常用的传感器有霍尔传感器和编码器。
霍尔传感器通过检测转子磁场的变化，确定转子位置。
编码器则通过检测转子的旋转角度和速度，提供更精确的转子位置和速度信息。
传感器的反馈信息被送回控制器，用于控制电机的转动。
总结起来，直流无刷电机的驱动原理是通过控制器控制功率电子器件的开关状态，使电流按照一定的顺序流过定子线圈，从而产生转矩驱动转子转动。
传感器则用于检测转子位置和速度，提供反馈信息给控制器，实现对电机的精确控制。
直流无刷电机驱动原理的应用非常广泛。
在家电领域，直流无刷电机被广泛应用于洗衣机、冰箱、空调等产品中，提高了产品的效率和可靠性。
在汽车领域，直流无刷电机被用于驱动电动汽车的电机，实现零排放和高效能。
在航空航天领域，直流无刷电机被用于驱动飞机的舵机和飞行控制系统，提高了飞行的稳定性和安全性。
总之，直流无刷电机驱动原理是一种高效、可靠的电机驱动方式。
通过控制器和传感器的配合，实现对电机的精确控制，使其在各个领域发挥出更大的作用。
无刷直流电动机驱动方式分析
无刷直流电动机驱动方式分析王敏荣，崔滨（西安电子科技大学电子工程学院，西安 710071）摘要：无刷直流电动机是一种应用非常广泛的电机，其结构简单，性能优越，发展前景广阔。
论文主要分析了二二导通方式和三三导通方式的原理和实现，基于dsPIC实现了无刷直流电机控制系统，并给出了硬件结构图及软件设计流程。
关键词：无刷直流电动机; 二二导通; 三三导通; dsPICThe Analysis of the Drive Modes for DCBrushless MotorWang Min-rong, Cui Bin(School of Electronic engineering, Xidian Univ. , Xi’an 710071)Abstract: The blushless DC motor is used widely in application. With it’s simple structure and high performance, the motor shows a broad prospect in industry. The principle and the realization of two-two turn-on mode and three-three turn-on mode based are analyzed in this paper. The control system for blushless DC motor is designed using dsPIC. The hardware system and the flow chart of software are given.key words: Blushless DC motor; two-two turn-on ; three-three turn-on; dsPIC1引言无刷直流电机是在有刷直流电动机基础上发展起来的一种新型机电一体化的直流电动机，它利用电子换向器取代机械电刷和机械换向器，使这种电机不仅保留了直流电机的原有的优良性能，而且具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。
直流无刷电机的控制原理
直流无刷电机的控制原理
直流无刷电机的控制原理是通过电子器件对电机的相电流进行精确控制，使电机转子按照预定的角速度和方向旋转。
控制原理可以分为传感器式和无传感器式两种：
1. 传感器式控制原理：
- 电机内部安装有位置传感器，如霍尔传感器，用于检测转
子位置。
- 控制器根据传感器反馈的转子位置信号，通过运算得出所
需的相电流波形。
- 控制器将相电流波形通过功率放大电路输出给电机，驱动
电机产生力矩，并使转子旋转到预定位置。
2. 无传感器式控制原理（也称为电子换相）：
- 无传感器电机在转子上安装有永磁或磁体，用于产生磁场。
- 控制器通过测量电机绕组感应电动势的方式，实时估算转
子位置。
- 控制器根据估计的转子位置，即时计算出相电流波形。
- 控制器将相电流波形通过功率放大电路输出给电机，驱动
电机产生力矩，并使转子旋转到预定位置。
传感器式和无传感器式控制原理都利用了电子器件精确控制相电流，实现对电机速度和方向的控制。
无刷电机控制器通常使用微处理器，通过算法控制相电流波形，从而实现高性能、高效率的电机控制。
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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14
2）光电三极管
光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的 光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。
工作原理 （1）光电转换 （2）电流放大
15
工作原理
光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的 基区一边做得很大, 以扩大光的照射面积。
5
1、开关式霍尔传感器
1）概述：
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，可以 检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使 用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
2）特点：
霍尔器件具有许多优点：结构牢固，体积小，重 量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动， 不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
罚担罚
10
5）产生位置信号的原理
开关式霍尔传感器
11
4.3 无刷直流电动机的位置传感器
4.3.1 方波运行
2.红外光断续传感器
VCC
UO 红外光传感器外形
遮光片 外部接线电路
GND
U
θ V
θ
W
遮光片
三相输出信号
θ
12
1）光电二极管
工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号 转变成电信号，光生电流与光强成正比。
28
2. 编码器的结构
光电式脉冲编码器
29
2. 编码器的结构
接触式
30
3. 编码器工作原理
（1）增量式脉冲编码器
印
园光栅 指示光栅
刷 光源
光电元件
电
结
路
构
板
图 A
旋转轴
护罩
底低座坐
A向
31
（1）增量式脉冲编码器
指示光栅有两组线纹A和B，每组线纹 的节距和圆光栅的节距相同，但A、B两组 线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与旋转 圆光栅配合产生两路脉冲A和B用于记数和 辩向。
Vs
S1
S2
θ B2
B1
Z
19
一、旋转变压器
1.5
1
激 磁 0.5
信
0
号
-0.5
-1
-1.5 0
1
输 0.5
出
信
0
号
-0.5
-1 0
旋转变压器的工作波形
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
时间
6
6 20
一、旋ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变压器
3. 旋转变压器的种类
激
激
磁
磁
绕
绕
组
组
输 出 绕 组
两相旋转 变压器
输 出 绕 组
三相旋转变压器
第四章 无刷直流电动机及其控制系统
内容提要
引言 有刷直流电动机的电磁关系 无刷直流电动机系统结构及原理 无刷直流电动机的位置传感器 无刷直流电动机系统的功率驱动电路 无刷直流电动机控制系统及应用
1
4.3 无刷直流电动机位置传感器
1、位置传感器的作用
通过检测磁极与定子各相绕组轴线的相对位置，控制电机 定子绕组的通电方向。
脉 冲 编
光电式
增量式脉冲编码器 接触式
码
电磁感应式
器 的 分 类
绝对式脉冲编码盘
光电式 接触式
电磁感应式
27
1. 编码器（脉冲编码器）分类
光电编码器
原理：一种角度（角速度）检测装置，它将输入 轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电 脉冲或数字量 优点：体积小，精度高，工作可靠, 接口数字化等 应用：广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、 机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的 装置和设备中
6
3）霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生 电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
7
3）霍尔元件
霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成， 如下图示。
8
3）霍尔元件
1. 旋转轴 2. 阻磁盘 3. 永磁体 4. 霍尔
几种典型结构
9
4）测量原理
当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对, 从 而形成光电流,相当于三极管的基极电流。由于基极电流的 增加, 因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管 有放大作用。
16
2）光电三极管
光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增 益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有 引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏 二极管相似，从外观上很难区别。
将旋转变压器输出的模拟量信号转化为数字信号
型号：AD2S80A
23
AD2S80A内部结构图
24
AD2S80A连接图
25
二、编码器（脉冲编码器）
脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置， 能将机械转角变换成电脉冲。
优点： 易于与数字电路接口 成本低廉 体积小，安装方便
26
1. 编码器（脉冲编码器）分类
4.3.1 方波运行用位置传感器
检测信号为方波，只在 转子位置的某些特征点 产生跃变，经过简单的 逻辑变换就可以产生绕 组电流导通逻辑信号 （功率开关控制信号）
HA
0
θ
HB
0
θ
HC
0 30
150
270 360
θ
单相通电方式位置信号
4
4.3 无刷直流电动机的位置传感器
4.3.1 方波运行用位置传感器 1. 开关式霍尔传感器 2. 红外光断续传感器
方波运行用位置传感器：特征点位置信号
正弦波运行用位置传感器：连续位置信号
2、位置传感器的主要分类
磁敏式
光电式
磁电式
2
4.3 无刷直流电动机位置传感器
一、方波运行用位置传感器
（开关型位置传感器） 检测信号为方波
二、正弦波运行用位置传感器
（跟踪型位置传感器） 可以检测磁极的实时位置
3
4.3 无刷直流电动机位置传感器
两相旋转变压器的输出电压
u1 um sin p sin t u2 um cos p sin t
三相旋转变压器的输出电压
u1 um sin p sin t u2 um sin( p 1200 )sin t u3 um sin( p 1200 )sin t
21
一、旋转变压器
22
一、旋转变压器 4. 旋转变压器的专用数字芯片 作用
17
4.3.2 正弦波运行用位置传感器
输出连续的位置信号
一、旋转变压器
输出连续的位置角度的正弦信号
二、编码器
输出连续的位置角度
18
一、旋转变压器
1.旋转变压器的结构
结构与两相绕线式感应电机相似，
定子+转子，电磁学原理
2. 旋转变压器工作原理
基本工作原理
Vs Vm sint VB KVs sin KVm sin sint
光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外 壳中, 其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光的照射。
将光敏二极管的PN 结 设置在透明管壳顶部 的正下方
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工作原理
光照射在PN结上； 无光照时, 反向电阻很大, 反向电流很小（暗电流）。 光照射PN结时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光 生电子和空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向 运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。