文章目录

前言
一、直流无刷电机简介
二、直流无刷电机的工作原理
三、直流无刷电机的驱动及仿真
- 3.1、Matlab/Simulink仿真
- - 3.1.1、仿真电路分析
  - 3.1.2、仿真结果分析
  - - 3.1.2.1、电机正转
    - 3.1.2.2、电机反转
总结

前言

系列文章将更新直流无刷电机的工作原理、仿真控制以及应用STM32开发板与驱动板完成对直流无刷电机的实际控制。

一、直流无刷电机简介

直流无刷电机（Brushless Direct Current Motor，BLDC）没有了直流有刷电机的电刷及换向器等结构，线圈绕组不参与旋转而是作为定子，永磁体作为转子，通过控制线圈电流方向来改变磁场方向，从而使转子持续旋转。与直流有刷电机相比直流无刷电机使用寿命长、噪音低、转速快，但是价格较高，控制较为复杂。

上图为直流无刷电机（左）与直流有刷电机（右）结构图。

二、直流无刷电机的工作原理

安培定则，也即右手螺旋定则。由右手螺旋定则判断通电导体产生的磁场方向。磁场又具有同性相吸，异性相斥的特性，BLDC正是利用了通电线圈与永磁体的相互作用原理实现旋转。

上图为BLDC简化结构图，BLDC三根线按顺序依次为U相线、V相线、W相线，三根线一端连接在一起，另一端引出，即为U、V、W线。上图右侧为BLDC定子简化结构图，将转子放上如下图所示：

上图中U相线接正极，W相线接负极，V相线开路，电流从U相线流到W相线，同时U相和W相产生的磁场合成的磁场矢量方向即为转子磁场方向。由于BLDC的运行方式是绕组两两导通，所以三相绕组的导通组合只有六种通电情况，通过合理的顺序依次切换通断顺序，即可让转子跟着磁场旋转起来。

由上图可知，要想控制BLDC旋转，根本的问题就是产生这六拍工作方式的电压信号（BLDC的六步换相控制），采用三相逆变电路实现BLDC的六步换相控制。

驱动无刷直流电机的前提是我们必须知道转子的当前位置，无刷直流电机一般会带有霍尔传感器，用于获得转子的当前位置。

如上图所示，正向磁通通过霍尔传感器Hall=1，反向磁通通过霍尔传感器Hall=0。以霍尔传感器为参照物，定子旋转时，霍尔传感器检测到的磁场变化及输出信号如下图所示。

同无刷直流电机均匀分布的定子一样，用于输出三路磁场信号的3个霍尔传感器也是均匀分布在无刷电机的一周，每相邻两个传感器电角度相差120°，电机按一定方向转动时，三个霍尔的输出会按照六步的规律变化。

上图为霍尔传感器以120°电角度安装的示意图以及电机旋转时3个霍尔传感器输出的波形及所对应的扇区组合。通过三个霍尔传感器输出的波形就可以判断当前转子的具体位置，同样满足六步一周期。六步换相需要依赖霍尔传感器反馈转子的位置，其相对应的就是三相逆变电路的上下桥臂导通情况，如下图所示。

无刷直流电机的整体驱动框图如下所示。

三、直流无刷电机的驱动及仿真

由无刷直流电机的工作原理，采用六步换相法驱动直流无刷电机的转动。

3.1、Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如下。

3.1.1、仿真电路分析

主电路包括：三相逆变电路和BLDC直流无刷电机两部分，BLDC的电机额定功率设置为1kw，额定电压500V，额定转速3000RMP，采用恒功率负载TL设置为10/π。

控制算法包括：霍尔信号处理和六步换相控制两部分。根据霍尔信号判断转子当前所在的位置进而控制三相逆变电路的两两导通，根据设定Driection值进行电机正反转驱动。

信号监测：监测BLDC输出的信号

3.1.2、仿真结果分析

3.1.2.1、电机正转

Direction设置为1，实现电机正转。
电机转速：

Hall信号：

反电动势：BLDC的反电动势是梯形波，PMSM的反电动势是正弦波

电磁转矩：

电机定子电流：

3.1.2.2、电机反转

Direction设置为0，实现电机反转
电机转速：

Hall信号：

反电动势：

电磁转矩：

电机定子电流：

总结

分析了直流无刷电机的工作原理，并通过Matlab/Simulink采用六步换相法实现了直流无刷电机的驱动及正反转控制，为后续章节的分析奠定基础。

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