无刷电机工作及控制原理(图解)
无刷电机原理及控制
无刷电机原理及控制一、无刷电动机的组成结构和工作原理三相永磁无刷电动机和一般的永磁有刷电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处。
用装有永磁体的转子取代有刷电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用技术'>逆变器和转子位置检测器组成的电子换相器取代有刷电机的机械换相器和电刷，就得到了三相永磁无刷电动机。
1.无刷电动机结构特点无刷电动机属于三相永磁同步电机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。
在这里，永久磁铁的特性，在很大程度上决定电动机的特性。
目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼、等根据几种的磁感应强度和磁场强度成线性关系这一特点，应用最为广泛的就是钕铁硼。
它的线性关系范围最大，被称为第三代稀土永磁合金。
在转子上安置永磁铁的方式有两种：一种是将成型的永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。
根据永久磁铁安装方法不同，永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。
扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小、齿槽效应转矩小的优点，但易受电枢反应的影响。
且由于磁通不可能集中、气隙磁密度低，电极呈现凸的特性。
矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电电感大、齿槽效应转矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电机，由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩，此外，这种转子结构的永久磁铁，不易飞出，故可作高速电机使用。
根据确定的转子结构所对应的每相励磁通势合布不同，三相永磁同步电机可分为两种类型：正弦波形和方波形永磁同步电机，前者每相励磁磁通势分布是正弦波形，后者每相则是方波状，根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同，对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙如果采用稀大材料，由于采用非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。
应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范畴，而稀土永磁体正弦波形电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电机使用。
无刷电机控制原理图
无刷电机的驱动工作原理1．三相驱动桥下图为无刷电机的三相全桥驱动电路，使用六个N沟道的MOSFET管(Q1～Q6)做功率输出元件，工作时输出电流可达数十安。
为便于描述，该电路有以下默认约定：Q1/Q2/Q3称做驱动桥的“上臂”，Q4/Q5/Q6称做“下臂”。
图中R1/R2/R3为Q1/Q2/Q3的上拉电阻，连接到二极管和电容组成的倍压整流电路(原理请自行分析)，为上臂驱动管提供两倍于电源电压(2×11V)的上拉电平，使上臂MOSFET在工作时有足够高的VGS压差，降低MOSFET大电流输出时的导通内阻，详细数据可参考MOS管DataSheet。
上臂MOS管的G极分别由Q7/Q8/Q9驱动，在工作时只起到导通换相的作用。
下臂MOS由MCU的PWM输出口直接驱动，注意所选用的MCU管脚要有推挽输出特性。
驱动桥全部选用N沟道MOSFET的好处：大电流N沟道MOS可供选择的型号众多，货源充足便于购买，使用的MOSFET类型减少，间接降低采购元件的难度。
在图1中，上臂MOS管经过Q7/Q8/Q9驱动，逻辑电平和下臂MOS 刚好相反，这样的好处是，MCU上电时I/O默认为1，上臂MOS不会导通。
只有下臂MOS导通，因此不会有电流经过驱动桥，消除了潜在电路隐患。
C8是整个电调的电源滤波电容，使用中一定要接上，否则无刷电机的反电动势叠加在电源上不能被滤除，由倍压电路整流后的电压高达30V左右，己接近MOSFET的VGS上限，可能会损坏MOSFET。
2．反电动势波形上图所示为无刷电机运转中的理想反电动势波形，红线标出来的是反电动势的过零点。
两个虚线间是60度电气角度，不要理解成电机的机械角度。
常用航模电机属于无刷三相六拍电机，每个电周期有六个状态。
星形接法中(Y形)在每一时刻电机的通电线圈只有两相，另一相线圈悬空，悬空的线圈会产生反电动势，反电动势来源于电机磁体旋转而造成本线圈切割磁力线和另两相线圈通电时的互感。
无刷电机工作原理图解_New
无刷电机工作原理图解————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：无刷电机工作原理图解众所周知，永磁体提供的磁极磁场在电机旋转过程中固定不变的，这就是要求每个时刻定子绕组产生的电枢磁场必须与转子的磁极磁场相对应，即绕组的电流方向、导通与关断受转子位置的控制。
因此，无刷直流电机必须有转子位置信号输出给电机的控制电路，电机的控制电路根据转子位置信号来控制相应的功率开关管的导通与关断，从而控制相应绕组的电流方向、导通与关断。
定子绕组若按一定的通电顺序进行切换，就可以形成一个与转子位置对应的旋转磁场，使电机按要求的旋转方向旋转。
相对磁钢的某一磁极而言，每个时刻与它对应的电枢磁场是固定的，即绕组的电流方向是固定的，这与有刷直流电机类似。
无刷直流电机运行原理图，绕组为三相星形接法，120度均布，采用三相半桥驱动方式，转子为一对极。
在图示位置，磁钢的磁极中心线与A相绕组对齐，此时的控制电路根据转子位置检测信号，使S1开关管触发导通，B相绕组通电，在B相绕组磁场的作用下，转子将顺时针旋转120独门，到达虚线转子所示的位置，磁钢的磁极中心线与B相绕组对齐，此时，控制电路根据转子位置检测信号，使S1开关管关断，使S3开关管导通，A相绕组通电，转子在A相绕组磁场的作用下，转子将顺时针旋转120度，按上述通电顺序循环导通，转子就顺时针旋转下去。
无刷直流电机采集转子位置信号，前者，电机结构简单，但电机起动困难;后者，电机结构稍复杂，但起动平稳、可靠，目前大部分的无刷直流电机均采用后者。
位置传感器的种类很多，空调用的无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置传感器。
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。
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，这个就是电机转动受力分析得基础，简单说就就是磁场中得载流导体,会受到力得作用。
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得方向,我相信喜欢玩模型得人都还有一定物理基础得哈哈.让磁感线穿过掌心，大拇指方向为运动方向，手指方向为产生得电动势方向。
为什么要讲感生电动势呢?不知道大家有没有类似得经历，把电机得三相线合在一起,用手去转动电机会发现阻力非常大，这就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与转动方向相反得力，大家就会感觉转动有很大得阻力。
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,那么大拇指所指得那一端就就是通电螺旋管得N极。
状态1当两头得线圈通上电流时，根据右手螺旋定则,会产生方向指向右得外加磁感应强度B(如粗箭头方向所示），而中间得转子会尽量使自己内部得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，转子所受得转动力矩最大.注意这里说得就是“力矩”最大,而不就是“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,力矩就是力与力臂得乘积。
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得作用，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得电流方向,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得电流方向,内转子就会不停转起来了。
改变电流方向得这一动作，就叫做换相。
补充一句：何时换相只与转子得位置有关,而与其她任何量无直接关系。
第二部分：三相二极内转子电机一般来说,定子得三相绕组有星形联结方式与三角联结方式，而“三相星形联结得二二导通方式”最为常用，这里就用该模型来做个简单分析。
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。
永磁无刷直流电机(电机控制)课件
新能源
用于风力发电、太阳能 发电等新能源设备的驱
动和控制。
汽车电子
用于电动汽车、混合动 力汽车等车辆的驱动和
控制。
其他领域
如航空航天、医疗器械 、智能家居等需要高精
度控制的领域。
02
电机控制系统
控制系统概述
控制系统是永磁无刷直流电机的重要组成部分，用于实现电机的启动、调速、制 动等功能。
永磁无刷直流电机通过控制电流 的相位和幅值，实现电机的启动 、调速和制动等功能。
结构与特点
结构
永磁无刷直流电机由定子、转子和控 制器三部分组成。定子包括永磁体和 电枢绕组，转子为金属导体。
特点
具有高效、高可靠性、高控制精度、 长寿命等优点，适用于需要高精度控 制的应用场景。
应用领域
工业自动化
用于各种自动化生产线 、机器人、数控机床等
电磁干扰和噪声
无刷直流电机在运行过程中会产生电磁干 扰和噪声，对周围环境和人体健康造成一 定影响，需要采取措施进行抑制。
未来研究方向
高效能电机及其控制技术
研究新型的电机结构和控制策略，以 提高电机的能效和稳定性。
智能感知与故障诊断
利用传感器和智能算法，实现对电机 系统的实时感知和故障诊断，提高系 统的可靠性和安全性。
模糊控制算法
总结词
模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，通过模糊化输入变量和模糊规则实现控 制输出。
详细描述
模糊控制算法将输入变量的精确值模糊化，转换为模糊集合，然后根据模糊规则进行逻 辑运算，得到输出变量的模糊集合。最后，对输出变量的模糊集合进行去模糊化，得到 精确的控制输出。模糊控制算法能够处理不确定性和非线性问题，适用于永磁无刷直流
高效率BLDC无刷直流电机控制原理、控制设计计算方法及步骤(图文并茂详解)
高效率BLDC无刷直流电机控制原理、控制设计计算方法及步骤（图文并茂详解）一、空载时间插入与补充：1、大多数BLDC电机不需要互补的PWM、空载时间插入或空载时间补偿。
2、可能会要求这些特性的BLDC应用仅为高性能BLDC伺服电动机、正弦波激励式BLDC电机、无刷AC、或PC同步电机。
3、控制算法许多不同的控制算法都被用以提供对于BLDC电机的控制。
4、典型做法是，将功率晶体管用作线性稳压器来控制电机电压。
当驱动高功率电机时，这种方法并不实用。
5、高功率电机必须采用PWM控制，并要求一个微控制器来提供起动和控制功能。
二、BLDC无刷直流电机控制原理：1、无刷电机属于自换流型（自我方向转换），因此控制起来更加复杂。
2、BLDC电机控制要求了解电机进行整流转向的转子位置和机制。
3、对于闭环速度控制，有两个附加要求，即对于转子速度或电机电流以及PWM信号进行测量，以控制电机速度以及功率。
4、BLDC电机可以根据应用要求采用边排列或中心排列PWM信号。
5、大多数应用仅要求速度变化操作，将采用6个独立的边排列PWM信号。
这就提供了最高的分辨率。
6、如果应用要求服务器定位、能耗制动或动力倒转，推荐使用补充的中心排列PWM信号。
7、为了感应转子位置，BLDC电机采用XXX效应传感器来提供绝对定位感应。
这就导致了更多线的使用和更高的成本。
无传感器BLDC控制省去了对于传感器的需要，而是采用电机的反电动势（电动势）来预测转子位置。
8、无传感器控制对于像风扇和水泵这样的低成本变速应用至关重要。
9、在采用BLDC电机时，冰箱和空调压缩机也需要无传感器控制。
三、BLDC高效率无刷直流电机控制算法方法及步骤：1、提供的三项功能：⑴、用于控制电机速度的PWM电压;⑵、用于对电机进整流换向的机制;⑶、利用反电动势或传感器来预测转子位置的方法;2、脉冲宽度调制仅用于将可变电压应用到电机绕组。
有效电压与PWM占空比成正比。
3、当得到适当的整流换向时，BLDC的扭矩速度特性与以下直流电机相同。
无刷直流电机的原理和控制——介绍演示幻灯片共28页文档
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
无刷直流电机的原理和控制——介绍 演示幻灯片
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6、黄金时代是在我们的前面，而不在 我们的 后面。
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7、心急吃不了热汤圆。
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பைடு நூலகம்
8、你可以很有个性，但某些时候请收 敛。
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9、只为成功找方法，不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
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10、只要下定决心克服恐惧，便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为，请 记住， 除了在 脑海中 ，恐惧 无处藏 身。-- 戴尔． 卡耐基 。
45、自己的饭量自己知道。——苏联
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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。
上图显示了定子绕组的联结方式(转子未画出假想是个二极磁铁)，三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式被联结在一起。
整个电机就引出三根线A, B, C。
当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB, AC, BC, BA, CA, CB注意这是有顺序的。
下面我看第一阶段：AB相通电
当AB相通电，则A极线圈产生的磁感线方向如红色箭头所示，B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示，那么产生的合力方向即为绿色箭头所示，那么假设其中有一个二极磁铁，则根据“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”则N极方向会与绿色箭头所示方向重合。
至于C，暂时没他什么事。
第二阶段：AC相通电
第三阶段：BC相通电
第三阶段：BA相通电
为了节省篇幅，我们就不一一描述CACB的模型，大家可以自己类推一下。
以下为中间磁铁(转子)的状态图：
每个过程转子旋转60度
六个过程即完成了完整的转动，其中6次换相
我们再来看一个复杂点的，图(a)是一个三相九绕组六极(三对极)内转子电机，它的绕组连线方式见图(b)。
从图(b)可见，其三相绕组也是在中间点连接在一起的，也属于星形联结方式。
一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的(比如用9绕组6极，而不是6绕组6极)，这样是为了防止定子的齿与转子的磁钢相吸对齐。
其运动的原则是：转子的N极与通电绕组的S极有对齐的运动趋势，而转子的S极与通电绕组的N极有对齐的运动趋势。
即为S与N相互吸引，注意跟之前的分析方法有一定的区别。
第一阶段：AB相通电
第二阶段：AC相通电
第三阶段：BC相通电
第四阶段：BA通电
第五阶段：CA通电
第六阶段：CB通电
以上为六个不同的通电状态，其中经历了五个转动过程。
每个过程为20度。
看完了内转子无刷直流电机的结构，我们来看外转子的。
其区别就在于，外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片，贴到了外壳上，电机运行时，
是整个外壳在转，而中间的线圈定子不动。
外转子无刷直流电机较内转子来说，转子的转动惯量要大很多(因为转子的主要质量都集中在外壳上)，所以转速较内转子电机要慢，通常KV值在几百到几千之间。
也是航模主要运用的无刷电机
顺便啰嗦一下吧。
无刷电机KV值定义为：转速/V，意思为输入电压每增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。
比如说，标称值为1000KV的外转子无刷电机，在11伏的电压条件下，最大空载转速即为：11000rpm(rpm的含义是：转/分钟)。
同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的KV特性。
绕线匝数多的，KV值低，最高输出电流小，扭力大;绕线匝数少的，KV值高，最高输出电流大，扭力小。
我先前测试过穿越机2204电机的极限电流，单电机能彪上25A，而2212系列电机15A都上不了。
分析方法也和内转子电机类似，大家可以自己分析一下，根据右手螺旋定理判断线圈的N/S极，转子永磁体的N极与定子绕组的S极有对齐(吸引)的趋势，转子永磁体的S极与定子绕组的N极有对齐(吸引)的趋势，从而驱动电机转动。
经典无刷电机2212 1000kv电机结构分析。
图为DJI 2312S电机和XXD 2212电机的(解剖图)
图为xxd2212线圈拆解图
图为12绕组14极(即7对极)，电机绕组绕发图
后面画出了6种两相通电的情形，可以看出，尽管绕组和磁极的数量可以有许多种变化，但从电调控制的角度看，其通电次序其实是相同的，也就是说，不管外转子还是内转子电机，都遵循AB->AC->BC->BA->CA->CB的顺序进行通电换相。
当然，如果你想让电机反转的话，电子方法是按倒过来的次序通电;物理方法直接对调任意两根线，假设A和B对调，那么顺序就是
BA->BC->AC->AB->CB->CA，大家有没有发现这里顺序就完全倒过来了。
AB相通电
AC相通电
BC相通电
BA相通电
CA相通电
CB相通电
要说明一下的是，由于每根引出线同时接入两个绕组，所以电流是分两路走的。
这里为使问题尽量简单化，下面几个图中只画出了主要一路的电流方向，还有一路电流未画出，另一路电流的具体情况放在后面进行分析，涉及到电路检测换相位置。
END
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