BLDC无刷直流电机

视频1摘要：

BLDCs的内部工作原理；如何使用Simscape Electrical在Simulink®中模拟BLDC™ 并研究其反电势电压的形状；如何使用六步换向（梯形控制）控制无刷直流电动机；无刷直流电动机和永磁同步电动机通常分别采用梯形控制和磁场定向控制

正文：

更复杂的机器的日常设备都使用无刷直流电机，将电能转换为旋转运动。无刷直流电动机，也被称为无刷直流电动机，提供了许多与之相比的有刷直流电动机的优点。无刷直流电动机具有更高的效率和更低的维护费用，这就是为什么在过去的几十年里，它们已经在许多应用中取代了有刷电动机。

这两种类型的电动机都是基于相似的原理运行的，即旋转运动是通过永磁体和电磁铁的磁极的吸引和排斥而产生的。然而，这些电动机的控制方式却截然不同。无刷直流电动机需要一个复杂的控制器来将直流电转换成三相电压，而有刷电动机可以很容易地由直流电压控制。

在这里，我们将向您展示一个刷直流电机的简单动画。通过将直流电流通过线圈绕组，我们就可以用这些磁极产生电磁铁。这些磁极与永磁体的磁极相互作用，使转子旋转。注意，转子每转半圈后，为了保持转子旋转，我们需要翻转电磁铁的磁极，这是通过切换线圈绕组中电流的极性来完成的。这种相位转换称为换向。在有刷电机中，当电机旋转时，电刷与转子的换向器接触时，发生机械换向。由于这种物理接触，电刷会随着时间的推移而磨损，影响电机性能。

无刷直流电动机通过用电子驱动换向代替机械换向，克服了有刷电动机的缺点。为了更好地理解这一点，让我们看看无刷直流电机的结构。

你可以把无刷直流电机想象成一个翻转的有刷电机，因为永磁体现在变成了转子，而线圈绕组变成了定子。有些电机的磁铁布置不同，定子可能有不同数量的绕组，转子可能有多个极对。除了不同的配置，你也可能会遇到类似的结构电机，永磁同步电机PMSM。

EMF back-electromotive force反电动势：直流电动机最初启动时，励磁绕组建立一个磁场，电枢电流产生另一个磁场，两磁场相互作用，启动电动机运行。电枢绕组在磁场中旋转，因此产生发电机效应。实际上旋转电枢产生一个感应电动势，与电枢电压极性相反，这种自感应电动势称为反电动势。emf通常表示电动势，但由于它不是物理意义上的“力”，所以起不到任何帮助，但反电动势仍然在电动机里作为自感应电动势应用。反抗电流通过或反抗电流变化的电动势叫反抗电动势。当电机设计完毕，转子磁场与定子绕组的匝数都是确定的，因此唯一决定反电动势的因数是转子转速，随着转子速度的增加，反电动势也随之增加。当电动机匀速运行时可以显著地减小电枢电流。气隙会影响绕组的磁通大小，从而也会影响反电动势。

无刷直流电动机和永磁同步电动机被定义为转子中装有永磁体的同步电动机。BLDC和PMSM的关键区别在于反电动势电压的形状（纵轴气隙磁通，横轴转子转速）。电动机旋转时起发电机的作用。这意味着在定子中感应到反电动势电压，它与电机的驱动电压相反。反电动势是电机的一个重要特性，通过观察其形状，我们可以知道我们有什么类型的电机，它也决定了我们需要使用的控制算法的类型来控制我们的电机。无刷直流电动机具有梯形形状，通常采用梯形控制。但是永磁同步电动机是由磁场定向控制的，因为它们表现出正弦反电动势。有时，永磁同步电动机和无刷直流电动机在电动机控制团体中可以互换使用，这可能会引起反电动势曲线的混淆。但是在这个视频系列中，我们将把梯形反电动势的电动机称为BLDC，将具有正弦反电动势的电动机称为PMSM。

观察反电动势形状的一个简单方法是使用模拟。我们可以模拟具有开路端子的单极对无刷直流电动机。这意味着没有一个线圈被驱动。但是我们可以施加一些转矩来旋转转子，使它像发电机一样，然后测量a相的电压，这将给我们a相的反电动势。正如你在这个范围内看到的，无刷直流电机的反电动势呈梯形，其中包括电压保持平坦的区域。这告诉我们我们可以用直流电压控制这台电动机。

接下来，我们将讨论电机的内部工作原理。为此，我们将使用一个简单的配置，其中转子仅由一个单极对组成，定子由三个间隔120度的线圈组成。线圈可以通过电流来通电，我们称之为相位a、B和C。转子的北极显示为红色，而蓝色代表南极。

目前，没有一个线圈通电，转子静止不动。在两相之间施加电压，A和C沿虚线产生一个组合磁场。因此，转子现在开始旋转，与定子磁场对齐，如动画所示。

线圈对通电有六种可能的方式。通过一次换向两个相位，我们可以使定子磁场旋转，这将导致转子转动并最终到达动画中显示的位置。转子角度是相对于水平轴测量的，有六个不同的转子对中，每个转子彼此相距60度。这意味着，如果我们每60度换一个正确的相位，我们就可以使马达旋转。这被称为六步换向，或梯形控制。注意，对于更多的极对，换相发生的频率更高。为了使电机在正确的时间和正确的相位进行正确的换向器，我们需要知道转子位置，这通常是用霍尔传感器测量的。

让我们来讨论一下两极是如何相互作用的。这里，箭头表示相对磁力，箭头厚度表示磁场强度。这两个相同种类的磁极互相排斥，使转子逆时针转动。同时，对极相互吸引，转子继续朝同一方向转动。一旦它完成60度的旋转，下一个换向发生。让我们也展示一下我们之前在动画中讨论过的定子磁场。正如你所看到的，换相发生的方式，转子永远不会与定子磁场对齐，而是总是追逐磁场。

以下两个事实可以解释这种行为。首先，当转子和定子磁场完美对齐时，电机产生零转矩。所以我们从不让他们对齐。第二，当磁场相互成90度时，就会产生最大扭矩。所以我们的目标是使这个角度接近90度。然而，在无刷直流电动机中，采用六步换向时，永磁同步电动机始终不能达到90度，但角度在一定范围内波动。这是由于梯形控制的简单性质。但是更先进的技术，如磁场定向控制，如我们之前讨论过的，通常用于控制永磁同步电动机，可以通过在定子和转子磁场之间达到90度来产生更大的转矩。

为了控制六步换向的相位，使用三相逆变器将直流电功率转换为三相电流，并在动画中用红色和蓝色显示。要向其中一个相提供正电流，需要打开高压侧连接到该相的开关。对于负电流，需要打开低压侧开关。恒压由三相逆变器转换，使电动机保持恒定速度。但是为了控制电机在不同的速度，我们需要能够调整施加的电压。一种方法是使用PWM。但我们将在接下来的视频中更详细地讨论这个问题。有关无刷直流电机的更多信息，别忘了看看下面的视频链接。

视频2摘要：

观看此视频，了解如何设计电机控制算法来控制无刷直流电机的速度。您将了解系统的不同组件是如何工作的，例如换向逻辑和三相逆变器。我们还将讨论为什么我们观察到无刷直流电机的速度和转矩响应的波动，并让你直观地了解inductive flyback感应反激的概念。

正文：

在这个视频中，我们将讨论什么样的控制算法，你需要控制一个无刷直流电机。我们将探讨这种控制算法的不同信号的行为，并讨论感应反激的概念。

在前面的视频中，我们介绍了一种无刷直流电机，它的定子有三个线圈绕组，转子中有一个单极对。我们还讨论了如何通过六步换向或梯形控制在无刷直流电机中产生运动，其中正确的相位每60度换流一次，以使电机连续旋转。

这里，我们有一个直流电压源，它为三相逆变器提供恒定的电压，它将直流功率转换为三相电流，从而为不同的线圈对供电。当外加电压恒定时，由于电压和速度之间的比例关系，电机以恒定速度转动。但是，如果我们想控制不同速度下的电机，那么我们需要建立一个控制器来调整施加电压的大小。让我们先构建一个这个控制器的图。

这是我们的马达。为了控制它，我们首先需要使用诸如霍尔效应传感器之类的传感器来测量它的角位置和速度。请注意，霍尔传感器不能准确提供转子在扇区内的位置的信息。但它可以检测转子何时从一个扇区过渡到另一个扇区。实际上，我们只需要知道扇区信息就可以确定何时对电机进行换向。但我们仍然不知道三个相位中的哪两个需要换位。正确的相位由计算三相逆变器开关模式的换向逻辑电路指定。我们还可以直观地看到这些块是如何相互作用的。在换向逻辑表中，字母A、B和C代表电机的三相；三相逆变器的高压侧标有H，低压侧标有L。要了解逆变器的开关和BLDC换向是如何基于换向逻辑工作的，让我们用之前的动画来代替这一部分。如果转子在第一扇区内，换向逻辑选择该开关模式，该模式指示A相高压侧开关和C相低压侧开关的接通状态。当转子过渡到其他扇区时，相应地选择一个开关模式并发送至三相逆变器。

我们现在要知道，在旋转的过程中，每一个相位都要通电。我们的下一个目标是使马达以不同的速度旋转。

目前，我们输入一个恒定的直流电压到逆变器，这导致恒定的速度，正如我们前面讨论过的。我们可以用一个合适的控制器闭合回路来调节这个电压。根据期望转速和实测转速之间的差值，控制器将调整电压，使电机转速接近所需值。这里需要注意的是，换向逻辑也属于控制算法，图中以浅蓝色显示。物理系统的所有组成部分都以浅灰色显示。这样的电机控制算法可以在这里看到的仿真环境中实现。注意，这里我们假设我们正在以一种理想的方式改变电压来演示操作，但实际上我们需要使用PWM，我们将在下一个视频中讨论。如果你想学习如何建立这个模型，别忘了看看下面的视频链接。彩色方框显示控制算法的不同部分如何映射到Simulink模型中的子系统。该模型记录诸如速度、电压、电流和转矩等信号。为了探索这些，让我们运行模型，首先查看期望的速度。正如您在这里看到的，它以100 rpm的增量从100 rpm上升到500 rpm。如果我们现在看电压，我们会看到控制器如何调整电压，使电机以所需的速度旋转，如测量的速度所示。

我们马上注意到的一件事是速度信号中的波纹。这里我们有另一个图，显示了转子在扇区之间的过渡。同时观察扇区和速度图，我们发现速度波动与换向有关，因为波纹模式与每个换向周期的开始一致。记住减刑期间发生的事情。其中一相被拉高，另一相拉低，第三相开路。如果换相期间三相电流如图所示发生变化，那么我们就不会观察到速度上的任何波动模式。但实际上，当我们驱动一个相位时，电流不会瞬间改变。看看三相电流，我们可以看到它们是如何随着时间的推移而上升的，这反过来又会导致速度的波动。速度并不是唯一受影响的信号，但我们也观察到转矩响应中的波纹，因为电流和转矩成比例相关。转矩响应的波动被认为是无刷直流电动机梯形控制的缺点之一。

当我们观察三相电流时，有什么东西吸引了你的眼球？当一个相从断相状态拉高时，在它再次开始上升之前，相电流会突然跳变。同时，另一个跳跃发生在换相过程中保持在低位的相位。为了更好地理解这些通电相位瞬时变化背后的原因，让我们看看这个动画。在换相过程中，随着相电流的增大，磁场在通电的相上建立起来。在换相时，这些相中的一个相，在这种情况下，相A变成开路，因此在这个断相上建立的磁场崩溃。所以相电流降到零。

让我们倒带看看在换相的时候，B相和C相发生了什么。当具有完全建立电场的C相连接到B相时，C上的已建电场几乎瞬间崩塌，同时B相建立电场以响应崩溃。由于B相的磁场突然建立，我们观察到B相电流的跳跃。由于C相的崩塌，我们观察到电流突然减小，由于B和C处的电场在50%的场强下达到平衡，电流下降到一半。由于这些相电流的瞬时变化，我们观察到三相电压的尖峰。我们刚刚描述的这种现象叫做感应反激。

让我们总结一下我们在这段视频中看到的。我们首先讨论了控制算法的不同元素，这些元素决定了何时对电机进行换向器，以及在换相期间给哪些相通电。然后我们展示了如何通过控制器调节电压来控制电机的速度。在这里，我们假设一个理想的可控电压源，但实际上我们需要一种方法，如PWM将恒定的直流电压转换为交流电压。在下一个视频中，我们将更新我们的控制算法，以使用PWM控制电机速度。关于马达控制的更多信息，别忘了看看下面的链接。

视频3摘要：

本视频讨论PWM脉宽调制和两种不同的结构来实现PWM控制，以控制无刷直流电机的速度。

PWM是一种方波信号，在一定频率下重复。每个脉宽调制周期称为一个周期，脉宽调制信号在给定时间段内接通的时间百分比决定了占空比。有了PWM，我们就可以根据不同的电压水平调整恒定的直流电压。这有助于我们以不同的速度控制马达。视频演示了两种常见的PWM控制结构。在第一种方法中，我们使用buck变换器和PWM发生器将直流电源电压降压到三相逆变器。在第二个方案中，我们讨论了一种不同的结构，其中三相电压直接使用PWM控制进行调制。

正文：

在这段视频中，我们将学习什么是PWM，或脉宽调制，以及它是如何用来控制无刷直流电机的速度。之前，我们讨论了如何通过调节提供给三相逆变器的直流电压来控制无刷直流电动机的变速。在这个模拟中，我们使用一个理想的电压源，让我们产生不同的直流电压电平由控制器。但实际上，我们的直流电压源提供了一个固定的电压，在提供给三相逆变器之前，我们需要使用一种称为PWM或脉宽调制的技术对其进行调制。

这是PWM信号的样子。它基本上是一个方波信号，在一定频率下重复。为了理解PWM如何帮助电压调制，让我们看一个例子。假设我们有一个直流电压源，可以提供0或100伏。为了在不同的速度下控制电动机，我们需要0到100伏的电压值。PWM的作用就像一个开关，它接收直流电压，然后以一定频率的一系列开关脉冲将其应用到电机上。每个脉宽调制周期称为一个周期，脉宽调制信号在给定时间段内接通的时间百分比给出了占空比。例如，如果我们有一个占空比为50%，这意味着在每个周期中，信号有一半的时间是打开的，而另一半是关闭的。当我们用这个驱动电机时，电机看到的有效电压将是这个PWM信号的平均值，即50伏。我们能够获得100伏的直流电压，并以50%的占空比脉冲它，产生50伏的电压。

现在，如果你继续改变占空比，你可以不断地调制这个信号，并在0到100伏之间创建不同的值范围，以控制你的电机在不同的速度。注意，占空比越长，我们得到的电压就越高。现在我们知道PWM控制对电机所看到的输出电压有一个平均效应。为了使这种平均效应正确，我们在选择PWM频率时要小心，这个频率是按1/周期计算的。如果开关频率太低，而不是看到平均电压，电机将看到一个电压，试图遵循方波形状。这将导致基准速度跟踪不良，电机将继续加速和减速。但是，当PWM频率提高到一定的合理值时，电压会被平均化，从而提高调速性能。注意，由于PWM的开关特性，会产生波纹。通常，控制无刷直流电机的PWM频率在几千赫兹左右，需要选择比电机时间常数的倒数高得多的PWM频率。

既然我们已经从概念上讨论了PWM，我们将研究两种用于实现PWM的常见架构。这是第一个。在这个模型中，我们希望无刷直流电机跟踪一个期望的速度，从0逐渐上升到600转/分。这个模型由我们在前面的视频中看到的类似的模块组成，除了这个部分，我们使用buck转换器来实现PWM控制。buck变换器用于调节直流电源电压到不同的电压水平，从而能够控制无刷直流电动机的不同转速。在这个模拟中，buck转换器的输入是由这个直流电压源块提供的，它提供500伏电压。让我们看看这个子系统的内部，了解buck转换器是如何工作的。我们在这里看到的是一个PWM发生器，它在1千赫时产生方波信号。如果我们往上看，我们会看到PWM发生器的输入是占空比，这是由控制器决定的。PWM发生器产生的信号在0和1之间波动，控制buck变换器两个开关的通断时间。根据这个持续时间，我们观察到在buck转换器的输出端有不同数量的电压降。

在这里，我们测量两个电压：一个在buck变换器的输入端，即直流源电压，另一个在buck变换器的输出端，它为我们提供调制后的直流电压，然后提供给三相逆变器。现在，我们运行这个模型，看看这两个电压，以及参考和测量的速度。

在上面的图中，我们看到直流电源电压是500伏。第二部分给出了buck变换器调制的直流电压。作为电压调制的结果，我们可以在这里看到的不同速度下控制电机。在这里，测量的速度显示为橙色，它成功地跟踪了以绿色显示的所需速度。

我们讨论了使用这种结构的无刷直流速度控制，其中一个PWM发生器和一个buck变换器一起为三相逆变器提供一个调制的直流电压。让我们来看看第二种架构，看看PWM控制是如何在这个架构中实现的。我们注意到的第一件事是这个模型没有使用buck转换器。在第一个模型中，我们调节提供给三相逆变器的电压。但是在这个模型中，我们直接调节相电压。在这里，PWM是在换流逻辑子系统下使用的，我们将在下一步更详细地了解。

这是PWM发生器。根据我们在这里看到的这个逻辑，PWM发生器输出确保直流电源电压脉冲接通和断开，从而根据转子所在的扇区为正确的相位供电。要理解电压调制是如何进行的，最简单的方法就是模拟这个模型并观察相电压。现在，我们运行这个模型，看看速度，扇区，a相和C相的电压。如速度图所示，在这个区域，速度是恒定的。所以，让我们放大这里，以便更好地了解，当电机以恒定速度运行时，相电压是如何变化的。根据这个逻辑，当转子位于扇区1时，这两个输入被选择。这一个分别命令a和C相的高和低信号。这个输入正好相反，它向a发送低信号，向C发送高信号。PWM发生器根据占空比在这两种状态之间切换，因此，我们在这里看到a相和C相电压是如何在+/-250伏（即+/-DC电源电压/2）之间脉冲开启和关闭的。当相位电压被这样调制时，电机所看到的有效电压将被平均。

记得在前面我们讨论过反电动势是如何在非换相阶段产生的。图中所示的反电动势电压为我们提供了一条关于电机所看到的平均电压的线索。例如，当A相未被换流时，这是A相反电动势电压，它告诉我们，在整个区域内，电机看到的A相电压约为25伏，而电机看到的C相电压约为-25伏。利用这条线索，我们可以简单地计算出在其余的换相过程中，有效电压是多少。

总之，我们讨论了PWM的概念，以及它是如何用来控制变速无刷直流电动机的。我们还讨论了两种常见的PWM实现方式，并对这些模型进行了仿真，以便更深入地了解PWM控制过程中的电压和速度特性。

视频4FOC控制见其他文章

【转】BLDC和PMSM的差别

应该说BLDC和PMSM的差别真的难说，有时候取决于应用了。传统的说法是他们的反电动势不同，BLDC接近于方波，PMSM接近于正弦波。

控制上来说BLDC一般使用6节拍的方波驱动，控制方波的相位和倒通时间，PMSM采用FOC。性能上来说BLDC的输出功率密度会大点，因为BLDC的转矩充分利用了谐波，也因此BLDC的谐波会严重点。

无刷直流电机的电机本体：定子绕组为集中绕组，永磁转子形成方波磁场；

永磁同步电机的电机本体：定子绕组为分布绕组，永磁转子形成正弦磁场；

无刷直流电机的位置传感器：低分辨率，60度分辨率，霍尔元件，电磁式、光电式；

永磁同步电机的位置传感器：高分辨率，1/256,1/1024，旋转变压器，光码盘；

无刷直流电机：120度方波电流，采用PWM控制；

永磁同步电机：正玄波电流，采用SPWM SVPWM控制。

无刷直流电机：磁钢为方波充磁，控制电压PWM也为方波，电流也为方波。一个电周期有6个空间矢量。控制简单，成本低，一般的MCU就可实现。

永磁同步电机：磁钢为正弦波充磁，反电动势也为正弦波，电流也为正弦波。一般采用矢量控制技术，一个电周期一般最少会有18个矢量（当然越多越好），需要高性能的MCU或DSP才能实现。

直流伺服：这个范围就很广了啊。直流伺服，指直流电机再控制系统的控制下，根据控制指令（转速、位置、角度等）来进行动作，一般用于执行机构。

直流无刷电机(BLDC)：位置传感器，如霍尔等；

永磁同步电机(PMSM)：速度和位置传感器，如旋转变压器、光电编码器等；

反电势波形BLDC ：近似梯形波（理想状态）；

反电势波形PMSM ：正弦波（理想状态）；

三相电流波形BLDC ：近似方波或梯形波（理想状态）；

三相电流波形PMSM ：正弦波（理想状态）

控制系统BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和电流（转矩）控制器；

控制系统 PMSM：不同控制策略的会有不同的控制系统；

设计的原理与方法BLDC：尽量拓宽反电势波形的宽度（使之近似为梯行波）；

设计的原理与方法PMSM：使反电势接近与正弦波；

参考文献：

[1] Motor Control, Part 1: An Introduction to Brushless DC Motors Video - MATLAB & Simulink https://ww2.mathworks.cn/videos/brushless-dc-motors-introduction-1564728874059.html?s_tid=srchtitle

[2] BLDC和PMSM电机的区别_从入门到放弃_新浪博客 http://blog.sina.com.cn/s/blog_7880d3350102x5wk.html

[3]

[4]

[5]

[6]

BLDC无刷直流电机相关推荐

BLDC无刷直流电机Simulink模型（数学方法搭建）
BLDC无刷直流电机Simulink模型(数学方法搭建) 版本:marlab2018a,可生成低版本包括:模型,设计文档,电机参数m文件仿真时在第三秒加入3Nm的负载,图中为模型和仿真结果(输出扭 ...
51单片机PID算法控制无刷直流电机proteus仿真
51单片机PID算法控制无刷直流电机proteus仿真 1.五个按键,停止/启动,正转,反转,加速,减速 2.显示lcd1602,第一行设置速度set= 3.第二行实际速度speed= r/min 4 ...
无刷直流电机MATLAB仿真，基于有感无感两种方式无刷直流电机霍尔换相建模
无刷直流电机MATLAB仿真,基于有感无感两种方式无刷直流电机霍尔换相建模无刷直流电机反电动势过零检测建模通过有传感器与无传感器两种方式搭建的电机matlab仿真 ID:511067340757 ...
STM32 HAL 驱动有刷直流电机和无刷直流电机
STM32 HAL 驱动有刷直流电机和无刷直流电机 (有刷)直流电机和无刷直流电机的机电结构不同,(有刷)直流电机通过两根线供电,由这两根线的电压方向控制电机轴转动的方向,调节额定范围内的电压可控制转 ...
stm32代码生成，基于模型的设计(MBD) 无刷直流电机MATLAB开发板建模代码生成控制 MBD电机控制资料
stm32代码生成,基于模型的设计(MBD) 无刷直流电机MATLAB开发板建模代码生成控制 MBD电机控制资料控制算法采用MATLAB建模并生成代码的方式配套电机开发板模型源代码和视频 P ...
【优化求解】基于人工蜂群算法求解无刷直流电机PID控制matlab代码
1 简介高精度的精密微位移系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极其重要的地位.它广泛应用于航空航天.微型机械制造.超精密加工.医学.生物工程等领域.纳米级位移定位技术已经成为推动科技发展的前进 ...
无刷直流电机simulink仿真
(1)系统整体结构图 (2)电机本体图 (3)电流滞环 (4)转速PI调节
认识舵机——无刷舵机、数码舵机与模拟舵机等
什么是舵机? 舵机是一种特殊的电动机,或者更具体来说它是一个闭环控制系统(伺服系统),当给它指令信号时,它将指令信号变换为输出轴的角度并保持住,即便负载变换很大,它也能通过其内部电流的自动调节,较准确 ...
bldc不同载波频率_有刷CD电机好用还是无刷BLDC电机好用？该选那个？
无刷直流电机 (BLDC电机/BLDC直流电机) 图二:直流无刷电机(BLDC电机) 无刷直流(BLDC)电机可以想像成与有刷直流电机截然相反,其中永久磁性在转子上,而绕线在定子上.因此,该电机没有刷 ...
电钻有刷好还是无刷好_高中物理好的来看看，永磁同步直流电机是怎样实现无刷驱动的？...
相信很多新能源车的车主或者打算购买新能源车的用户都听说过永磁同步直流电机这个名词,因为它在市售的纯电动车中使用率非常高,特别是对于那些20万以下,续航里程400公里以下的纯电动车型,应用非常广泛.吉利 ...

BLDC无刷直流电机

【转】BLDC和PMSM的差别

BLDC无刷直流电机相关推荐

最新文章

热门文章