永磁无刷直流电动机的基本工作原理

无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
1. 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。

无刷直流电动机的原理简图如图一所示：

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永磁无刷直流电动机的基本工作原理

主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频 5-26KHZ 调制波的对称交

变矩形波。

永磁体 N-S 交替交换，使位置传感器产生相位差 120°的 U、V、W 方波，结合正/反转信号产

生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生 T1-T4 导通 、
T1-T6 导通、T3-T6 导通、T3-T2 导通、T5-T2 导通、T5-T4 导通，也就是说将直流母线电压依次加
在 A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对 N-S 极，T1-T6 功率管即按固
定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组
产生的磁场轴线在空间转动 60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于 60°电角度空间位置，转
子在新位置上，使位置传感器 U、V、W 按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导
通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进 60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续
转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制
换向的，所以也称作自控式同步电动机。

2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴

线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，
因此转子上不需另设启动绕组。

由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩

与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。

电动机的转矩正比于绕组平均电流：
Tm=KtIav （N·m）
电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：
ELL=Keω （V）
所以电动机绕组中的平均电流为：
Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A）
其中，Vm=δ·VDC 是加在电动机线间电压平均值，VDC 是直流母线电压，δ 是调制波的占

空比，Ra 为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：

Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra）
Kt、Ke 是电动机的结构常数，ω 为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的 ω 时，改变

占空比 δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的
控制特性和机械特性。

无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令 Vc 的高低，如果速度指令最大值为+5V 对应

的最高转速：Vc（max）ón max，那么，+5V 以下任何电平即对应相当的转速 n，这就实现了
变速设定。