直流无刷电动机原理与控制

序言
　　一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各
个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。
由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由
此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺
点，从而大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上大多数均采用三相异步电动
机。
　　针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪 30 年代就有人开始研制以电子换向代
替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪 60 年代初终于实
现了这一愿望。上世纪 70 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体
功率器件，如 GTR、MOSFET、IGBT、IPM 等相继出现，以及高性能永磁材料的问世，均
为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。
　　由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优
点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今
国民经济各领域应用日益普及。
三相直流无刷电动机的基本组成
　　直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。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。图 1 所示为三相两极直流无刷电机结构，

图 1 三相两极直流无刷电机组成
　　三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，A、B、C 相绕组分别
与功率开关管 V1、V2、V3 相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。
　　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。
　　图 2 为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，
以三只功率晶体管 V1、V2 和 V3 构成功率逻辑单元。