图1 无刷直流电机原理图
1. 电机本体
电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等）。转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，……）组成。
2. 位置传感器
位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。
3. 电子换相
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各项绕组按一定次序导通，定子相电流随
5 / 37
转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 （三）基本工作原理
众所周知，一般的永磁式电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电枢的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停的云转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流用词电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动只能够转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子做功。所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度。 （四）无刷直流电机参数
本系统采用的无刷电机参数：
·额定功率：100W ·额定电压：24V（DC） ·额定转速：3000r/min ·额定转矩：0.23N?m ·最大转矩：0.46N?m ·定位转矩：0.01N·m ·额定电流：4.0A ·最大电流：8.0A ·极对数：4
·霍尔传感器位置呈60°放置 （五）三相无刷电动机主电路及工作方式
6 / 37
由以上基本原理可知，无刷电机的连续运行，定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度，因此定子绕组需要加三相电源，此电源可通过图2的逆变电路产生。
图2 电机主电路图
在三相逆变电路中，应用最多的是如图二所示的三相桥式全控逆变电路。在该电路中，电动机的三相绕组为Y联结。Q1、Q2、…… Q6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用,高电平是导通，他们的通电方式又可分为两两导通和三三道通两种方式。
1.二二通电方式
所谓二二通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/ 6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管导通120°电角度。各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1 …。当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图3a所示，其大小为3Ta，方向在Ta和－Tc的角平分线上。当电机转过60°后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电，这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图3b所示，其大小同样为3Ta。但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度。而后每换一次导通状态，合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持
3Ta不变。图3c示出了全部合成转矩的方向。
7 / 37
a）VF1、V F2导通时合成转矩 b）VF2、V F3导通时合成转矩 c）二二导通时合成转矩矢量图
图3 联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图
所以，同样一台无刷直流电机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形联结全控电路，在二二换相的情况下，其合成转矩增加了3倍。每隔60°电角度换相一次，每个功率管通电120°，每个绕组通电240°，其中正相通电和反相通电各120°，其输出转矩波形如图4所示。由图4可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。
图4 全控桥输出波形图
如将三只霍尔传感器按相位差120°安装，则它们所产生的波形如图5所示。其换相的控制电路可由一片74LS138型3－8译码器和74LS09、74LS38两片门电路构成，本系统采用无刷直流电动机专用集成电路LM621控制。
8 / 37