一、直流无刷电机概述
自1831年法拉第发现电磁感应现象、1834年雅克比发明旋转电磁铁芯直流电动机后，电动机作为能量转换装置，其应用范围逐渐遍及工业生产和日常生活的各个方面。在电动机发展过程中，直流电动机最先被发明以及广为应用，直流电动机有电压、电流关系简单、运行效率高、调速特性好等优点，但直流电动机结构复杂、成本较高，尤其是直流电动机电刷和机械换向器环节所引起的机械结构磨损，高频的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短、难维护等致命问题限制了其应用范围，在交流电动机被发明后，在多个应用领域逐渐被交流电动机取代。
针对传统直流电动机的弊病，在二十世纪 30 年代，人们开始研制以电子换相来代替电刷机械换相的直流无刷电动机（Brushless Direct Current Motor, BLDCM），并取得一定成果，1955 年，美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换相代替电动机机械换相器换相的专利，这就是现代直流无刷电动机的雏形。随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现，如以霍尔效应为基础的霍尔传感器，以及高性能永磁材料的问世，均为无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。20 世纪 80 年代，人们发现了稀土永磁材料，使用它可以明显的减轻电机的重量和减小电机的外型尺寸，还可以获得高的节能效果和提高电机的性能。采用稀土高性能永磁材料做转子的稀土永磁无刷直流电机，具有体积小、重量轻、电磁转矩脉动小、出力大、结构简单、工作可靠、调速性能好、免维护等优点，非常适用于数控设备中的伺服驱动。
1、 定速驱动机械
一般工业场合不需要调速的领域往往大多数采用三相或单相交流异步和同步电机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于 10KW 且连续运行的情况下，为了减小体积，节省材料，提高效率和降低损耗，越来越多的电机正被无刷直流电机所取代，这类应用有：自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电机以外还需要增加驱动器等设备，因此目前较少应用无刷电机。
2、可调速驱动机械
速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统。这类系统分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统（此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等）。通常使用的电机主要有三种：直流有刷电机、异步电机和直流无刷电机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。
3、精密控制
伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中一直扮演着十分重要的角色，应用场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际的应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式：转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制。无刷直流电动机由于良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步的取代可直流电机和步进电机，成为现代伺服系统首选的电机之一。目前，扫描仪、摄影机、CD 光驱驱动、医疗诊断 CT、计算机硬盘驱动和数控车床驱动中等都广泛的采用了无刷直流电机伺服系统用于精密控制。
二、直流无刷电机控制原理
无刷电机控制系统主要由电动机本体、位置传感器和逆变器电路三部分组成。无刷电机的转子一般为含有稀土的永磁体，当定子一相绕组通电，该相绕组产生的磁场与转子磁场产生力作用，驱动转子转动。由转子位置传感器把转子的位置信号反馈给控制器或电子开关线路，控制器或开关线路控制定子绕组按照一定次序导通，来产生旋转的磁场驱动转子连续旋转。由于电子开关线路的导通次序和转子转角是同步的，所以电子开关线路就起到了与机械换相器类似的控制作用。
无刷电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有鼠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），转子由永久磁钢按照一定的极对数（2p=2, 4 等）组成。电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷电动机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电机的磁钢装在定子上。无刷电机定子各相轮流通电使电机转子旋转，其转速取决于逆变电路分配给定子各相通电的时间。
直流无刷电动机的逆变器用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子上的各相绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。但是位置传感器的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。
逆变器主电路有桥式和非桥式两种，虽然电枢绕组与逆变器的联结形式多种多样，但应用最广泛的是三相星型六状态和三相星型三状态。早期的直流无刷电动机的逆变器多由晶闸管组成，由于其关断要借助反电动势或电流过零，造成换流困难，而且晶闸管开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型电力电子器件的发展，现在的逆变器在大功率、低频率时多由 GTO、GTR 器件组成，在中小功率的电动机中逆变器多由功率 MOSFET 或 IGBT 构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。
转子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为电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器的种类很多，且各具特点。目前，在直流无刷电动机中常用的位置传感器主要是磁敏式位置传感器：
磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按照一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。目前霍尔集成电路的磁敏式位置传感器应用最为广泛。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式:第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面,靠近霍尔元件并与之有一小间隙处,安装着与电机轴同轴的永磁体,如图20.3所示。对于两相导通星形三相六状态直流无刷电机,三个霍尔元件在空间彼此相隔120电角度,永磁体极弧宽度为180电角度。这样,当电机转子旋转时,三个霍尔元件便交替输出三个宽度为180电角度、相位互差120电角度的矩形波信号。第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处,利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体,根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置,将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。
除了上述三大类位置传感器外，还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。但是，这些元件成本较高，体积较大，而且所配电路复杂，因而在一般的直流无刷电动机中很少采用。
在大多数直流无刷电机的应用场合，电机常常带有霍尔位置传感器。位置传感器为转子位置提供了最直接有效的检测方法。霍尔位置传感器是以霍尔效应做理论基础、以霍尔元件核心部件的磁敏传感器。 在直流无刷电机的内部嵌有3个霍尔位置传感器，它们在空间上相差120 度。由于电机的转子是永磁体，当它在转动的时候，它所产生的磁场也随之转动，每个霍尔传感器都会产生 180 度脉宽的输出信号，如图 20.5所示,并且，三个霍尔传感器输出的信号互差 120 度。
对于单极对数的无刷电机，在每个机械转中共有 6 个上升或者下降沿，正好对应着 6个换相时刻，因此根据这 6 个换相时刻便可以对电机进行换相，并且可以进行速度计算。
位置传感器为电机增加了体积，需要多条信号线，更增加了电动机制造的工艺要求和成本。如果3个传感器安装的不对称，很容易出现换相时刻不准的问题。在有些场合，如油压系统和风机，由于受条件的限制，往往需要无位置传感器的无刷电机控制。不过由于无传感器的无刷电机启动力矩不足，因此其应用条件很有限。
对无位置传感器的无刷电机的控制，感应电动势法是最常见和应用最广泛的一种方法。 对于单极对数的三相直流无刷电机，每转 60 度就需要换相一次，每转一转需要换相 6次，因此需要6个换相信号。如图20.6，每相的感应电动势都有2个过零点，这样三相就有6个过零点。因此只需测量或者计算出这6个过零点，再将其延迟30度，就可以获得6个换向信号。
理想的直流无刷电机的感应电动势和电磁转矩的公式如下：
式中 N p —通电导体数；
B—永磁体产生的气隙磁通密度；
l—转子铁心长度；
r—转子半径；
ω—转子的机械角速度
i —定子电流。
由以上两个公式可见， 感应电动势与转子转速成正比， 电磁转矩与定子电流成正比，因此，直流无刷电机与有刷直流电机一样具有很好的控制性能。
任何电机的调速系统都以转速为给定量，并使电机的转速跟随给定值进行控制。为使系统具有很好的调速性能，通常要构建一个闭环系统。
一般来说，电机的闭环调速系统可以是单闭环系统（速度闭环），也可以是双闭环系统（速度外环和电流内环）。速度调节器的作用是对给定速度与反馈速度之差按一定规律进行运算，并通过运算结果对电机进行调速控制，最终使速度稳定下来，缺点是需要的时间较长些。电流调节器的作用主要有两个：一个是在启动和大范围加减速时起电流调节和限幅作用，另一个是使系统的抗电源扰动和负载扰动的能力增强。不过对于大多数场合来说，速度闭环就能达到很好的效果，相反双闭环往往增加系统的复杂性和参数选择的难度，如果电流环处理不好，往往给调速带来不利。在电机调速系统中，有不少调节方法，如 PID 调节和模糊控制等。由于 PID 调节简单实用，在实际应用中 90%采用这种方法。PID控制系统原理图如图20.7所示。
为PID控制系统原理图。r(t)是系统给定值，c(t)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e(t)。 e(t)作为PID调节器的输入，u(t)作为PID调节器的输出和被控对象的输入。
3、电路原理讲解
4、程序讲解
