一、無刷電動機的組成結構和工作原理

三相永磁無刷電動機和一般的永磁有刷電動機相比，在結構上有很多相近或相似之處。用裝有永磁體的轉子取代有刷電動機的定子磁極，用具有三相繞組的定子取代電樞，用逆變器和轉子位置檢測器組成的電子換相器取代有刷電機的機械換相器和電刷，就得到了三相永磁無刷電動機。

1、無刷電動機結構特點

無刷電動機屬于三相永磁同步電機的范疇，永磁同步電動機的磁場來自電動機轉子上的****磁鐵。在這里，****磁鐵的特性，在很大程度上決定電動機的特性。目前采用的永磁材料主要有鐵淦氧、鋁鎳鈷、釹鐵硼、等 根據幾種的磁感應強度和磁場強度成線性關系這一特點，應用最為廣泛的就是釹鐵硼。它的線性關系范圍****，被稱為第三代稀土永磁合金。 在轉子上安置永磁鐵的方式有兩種：一種是將成型的****磁鐵裝在轉子表面，即所謂外裝式；另一種是將成型的****磁鐵埋入轉子里面，即所謂內裝式。根據****磁鐵安裝方法不同，****磁鐵的形狀可分為扇形和矩形兩種。扇形磁鐵構造的轉子具有電樞電感小、齒槽效應轉矩小的優點，但易受電樞反應的影響。且由于磁通不可能集中、氣隙磁密度低，電極呈現凸的特性。矩形磁鐵構造的轉子呈現凸極特性，電電感大、齒槽效應轉矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故適于大容量電機，由于電動機呈現凸極特性，可以利用磁阻轉矩，此外，這種轉子結構的****磁鐵，不易飛出，故可作高速電機使用。 根據確定的轉子結構所對應的每相勵磁通勢合布不同，三相永磁同步電機可分為兩種類型：正弦波形和方波形永磁同步電機，前者每相勵磁磁通勢分布是正弦波形，后者每相則是方波狀，根據磁路結構和永磁體形狀的不同而不同，對于徑向勵磁結構，永磁體直接面向均勻氣隙如果采用稀大材料，由于采用非均勻氣隙或非均勻磁場化方向長度的永磁體的徑向勵磁結構，氣隙磁場波形可以實現正弦分布。 應該指出稀士永磁方波形電機屬于永磁無刷直流電機的范疇，而稀土永磁體正弦波形電動機則一般作為三相交流永磁同步伺服電機使用。但這不是****的，究竟是三相永磁直流無刷電動機還是三相永磁交流同步電機，主要決定于電動機的控制系統的方式，取決于電動機的轉子位置傳感器的類型。

2、三相永磁直流無刷電動機的轉子位置傳感器

永磁同步電動機的控制系統都屬于自控式變頻系統，就是說電動機的換相狀態是由轉子的位置決定的，電動機的控制頻率是由轉子的運行速度決定的，這就需要轉子的位置檢測器。轉子的位置檢測器有多種，正弦波永磁同步電機一般采用旋轉變壓器式、****式光電脈沖編碼器或增量式光電脈沖編碼器作為位置檢測器。而在永磁直流無刷電動機（方波電動機）中，一般采用簡易型的位置檢測器，該器件不能用來檢測轉子的精確位置，其檢測精度通常只有60 的電角度，其主要作用是為了滿足電動機的換相要求。 位置傳感器是直流無刷電動機系統組件部分之一，也是區別于直流有刷電機和直流無刷電動機的主要標志。其作用是檢測主轉子在運動過程中的位置，將轉子磁鋼的位置信號轉換成電信號，為邏輯開關電路提供正確的換相信息。以控制它們的導通和截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉子位置的變化按次序換相。形成氣隙中步進式的旋轉磁場，驅動永磁轉子連續不斷的旋轉 。 位置傳感器的種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。它們各具特點，然而由于磁敏式霍耳位置傳感器具有結構簡單、體積小、安裝靈活方便、易于機電一體化等優點，故目前得到越來越廣泛的應用。當磁場中的導體有電流通過時，其橫向不受到力的作用，同時還出現電壓，這個現象后來被稱為霍耳效應。隨后人們又發現，不僅是導體而且半導體中也存在霍耳效應。并且霍耳電動勢更明顯，這是由于半導體有比導體更大的霍耳系數的緣故。

霍耳傳感器按功能和應用可分為線性型和開關型兩種

（1） 線性型 線性型傳感器是由電壓調整器、霍耳元件、差分放大器、輸出級等部分組成，輸入為變化的磁感應強度得到與磁場強度成線性關系的輸出電壓，可用于磁場測量、電流測量、電壓測量等。

（2） 開關型 開關型傳感器是由電壓調整器、霍耳元件、差分放大器、施密特觸發器和輸出級等部分組成。輸入為磁感應強度，輸出為開關信號。直流無刷電動機的轉子位置檢測器屬于開關型的傳感器。 直流無刷電機的霍耳位置傳感器和電機的本體一樣，也是由靜止部分和運動部分組成，即位置傳感器定子和傳感器轉子。其轉子與電機主轉子一同旋轉，以指示電動機主轉子的位置，即可以直接利用電動機的永磁轉子，也可以在轉軸其它位置上另外安裝永磁轉子。定子由若干個霍耳元件，按一定的間隔，等距離的安裝在傳感器定子上，以檢測電動機轉子的位置。 位置傳感器的基本功能是在電動機的每一個電周期內，產生出所要求的開關狀態數。位置傳感器的永磁轉子每轉過一對磁極（N、S幾極）的轉角，也就是說每轉過360 電角度，就要產生出與電動機繞組邏輯分配狀態相對應的開關狀態數。以完成電動的一個換流全過程，如果轉子的極對數越多，則在360 機械角內完成該換流全過程的次數也就越多。

霍耳位置傳感器必須滿足以下兩個條件：

（1） 位置傳感器在一個電周期內所產生的開關狀態是不重復的，每一個開關狀態所占的電角度相等。

（2） 位置傳感器在一個電周期內所產生的開關狀態數應和電動機的工作狀態數相對應。 位置傳感器輸出的開關狀態能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關狀態與電動機的換相狀態對應起來，進而完成換相。對于三相無刷直流電動機，其位置傳感器的霍耳元件的數量是3，安裝位置應當間隔120 電角度，其輸出信號是Ha、Hb、Hc。

3、三相直流無刷電動機的換相原理

三相永磁無刷直流電動機轉子位置傳感器輸出信號Ha、Hb、Hc在每360 電角度內給出了6個代碼，按其順序排列，6個代碼是101、100、110、010、011、001。當然這一順序與電動機的轉動方向有關，如果轉向反了，代碼順序也就倒過來。三相永磁無刷電動機的電子換相器主回路，也就是由6個功率開關元件組成的三相H形橋式逆變器。其中線A-X表示與A相繞組軸線相交的位置；線B-Y表示與B相繞組軸線相交的位置；線C-Z表示與C相繞組軸線相交的位置；顯然由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6個60 的扇區，我們也把此圖稱作“定子空間的扇區圖”。 可以通過兩種不同的途徑來分析無刷電動機的換相過程，一是利用剛剛提到“定子空間示意圖”來分析換相過程；二是通過分析電動機的三相反電動勢來理解換相過程。 無論是從定子空間扇區圖還是從電動機定子繞組的反電動勢來分析三相無刷電動機的換相過程。所得的開關管的導通和關斷狀態與轉子位置的關系都是相同的。

三、無刷電機的驅動控制

對于無刷電機驅動，現有兩種方式：一種是利用前面所介紹的位置傳感器，經過邏輯電路的處理發面換相控制信號。一種是利用測反電動勢法，得知轉子位置信號，然后送入譯碼器來控制三個H橋的導通。

開環型無刷直流電動機的驅動控制：

 其內部包括電子換相器主回路，一三相H形橋式逆度器，換相控制邏輯電路。PWM調速電路，以及過流等保護電路。

（1） 換相控制邏輯電路。 三相永磁無刷直流電動機的轉子位置傳感器輸出信號。 Ha.Hb.Hc.在每360 電角度給出6個代碼，換相控制邏輯電路接收轉子位置傳感器的輸出信號。Ha.Hb.Hc并對其進行澤碼處理。給出電子換相器主回路（三相橋式逆度器）中6個開關管的驅動控制信號。 三相霍耳輸出的信號，給出的6個代碼是101、100、110、010、011、001這一順序與電機的轉動方向有關轉向有關，轉向反了。代碼出現的順序也就倒過來，所以，換相控制邏輯電路還應當接收電動機的轉向控制信號DIR，這也是一個邏輯信號，高電平控制電機正轉，正轉，低電平控制電機反轉。

（2） PWM調速電路。 無刷電機，加上電子換相器，（包括換向器的主回路一逆變器和換相控制邏輯電路），從原理上說，就相當于一臺有刷電機也就是說，電子換相器解決了無刷電機換相問題，但沒有解決電動機的調速問題，需要脈寬調制電路來實現。 由換相控制邏輯電路輸出的換相信號的頻率與電機的轉速有關，還與電機的磙鋼極對數有關，無論何種情況下，換相控制信號的頻率都遠遠低于PWM信號的頻率。因此，可以把PWM信號和換相控制信號通過邏輯“與”的辦法合成在一起，通過調節PWM信號的占空比，來調節電動機的定子電樞電壓，從而實現調速。 在任何時刻，在電子換相器的主回路一三相橋式逆度路中只有兩個開關管導通，這兩個開關管中的一個高壓側（1、3、5管中的一個），另一個在低壓側（2、4、6中的一個），也就是說，總是有高壓側的一個開關管與低壓側的一個開關管串聯導通的，所以PWM信號只需與高壓側的三個開在管的控制信號通過邏輯“與”的辦法合成在一起即可實現調壓調速。

（3） 保護電路。 無刷電機在開環這行的情況下，最重要的保護就是過電流保護，一般在主回路中的直流母線一取得過電流反饋信號，在過電流環節與改定的保護值相比較，如果超過了保護值引起保護動作，一般是封鎖逆度器中的開關管從而實現保護。