三相无刷直流电机系统结构及工作原理2.1 电机的分类电机按工作电源种类可分为：1.直流电机：(1)有刷直流电机：①永磁直流电机：·稀土永磁直流电动机；·铁氧体永磁直流电动机；·铝镍钴永磁直流电动机；②电磁直流电机：·串励直流电动机；·并励直流电动机；·他励直流电动机；·复励直流电动机；(2)无刷直流电机：稀土永磁无刷直流电机；2.交流电机：(1)单相电动机；(2)三相电动机。
2.2 无刷直流电机特点·电压种类多 : 直流供电交流高低电压均不受限制。
·容量范围大 : 标准品可达 400Kw更大容量可以订制。
·低频转矩大 : 低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高。
·高精度运转 : 不超过 1 rpm.( 不受电压变动或负载变动影响) 。
·高效率 : 所有调速装置中效率最高比传统直流电机高出5～30%。
·调速范围 : 简易型 / 通用型 (1:10) 高精度型 (1:100) 伺服型。
·过载容量高 : 负载转矩变动在200%以内输出转速不变。
·体积弹性大 : 实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状。
·可设计成外转子电机 ( 定子旋转 ) 。
·转速弹性大 : 可以几十转到十万转。
·制动特性良好可以选用四象限运转。
·可设计成全密闭型IP-54IP-65防爆型等均可。
·允许高频度快速启动电机不发烫。
·通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。
2.3 无刷直流机的成直流无刷机的构如 2.1 所示。
它主要由机本体、位置感器和子开关路三部分成。
机本体在构上与永磁同步机相似，但没有型和其他起装置。
其定子一般制成多相（三相、四相、无相不等），子由永久磁按一定极数（ 2p=2,4 ，⋯）成。
图 2.1直流无刷电动机的结构原理图当定子的某一相通，流与子永久磁的磁极所生的磁相互作用而生的矩，子旋，再由位置感器将子磁位置成信号，去控制子开关路，从而使定子各相按一定序通，定子相流随子位置子位置的化而按一定的次序相。
由于子开关路的通次序是与子角同步的，因而起到了机械向器的相作用。
如 2.2 所示。
图 2.2无刷直流电动机基本结构图因此，所直流无刷机，就其基本构而言，可以是一台由子开关路、永磁式同步机以及位置感器三者成的“ 机系” 。
其原理框如 2.3 所示。
直流电源开关电路电动机位置传感器图 2.3直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。
位置传感器种类较多，且各具特点。
在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。
2.4 基本工作原理众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。
其电枢绕组通电后产生反应磁场。
其电枢绕组通电后产生反应磁场。
由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。
直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。
但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。
所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（π/2 ） rad 左右的电角度。
2.5 无刷直流电机参数本系统采用的无刷电机参数·额定功率： 100W·额定电压： 24V（DC）·额定转速： 3000r/min·额定转矩： 0.23N?m·最大转矩： 0.46N?m·定位转矩： 0.01N?m·额定电流： 4.0A·最大电流： 8.0A·极数： 4·霍感器位置呈60°放置2.6 三相无刷机主路及工作方式无刷直流机有多相构，每种机可分半和全，全又可分星形和三角形以及不同的通方式。
因此，不同的会使机生不同的性能和成本，是每一个用系者都要考的。
下面做一下比。
（1）的利用率。
与普通直流机不同，无刷直流机的是断通的。
适当地提高通利用率可以使同通体数增加，使阻下降，提高效率。
从个角度来看，三相比四相好，四相比无相好，全比半好。
（2）矩的波。
无刷直流机的出矩波比普通直流机的大，因此希望尽量减小矩波。
一般相数越多，矩的波越小。
全比半矩的波小。
（3）路的成本。
相数越多，路所使用的开关管越多，成本越高。
全比半所使用的开关管多一倍，因此成本要高。
多相机的构复，成本也高【9】。
合上述分析，本系采用三相星形（Y）全控路，如 2.4 。
图 2.4三相星形（Y）联结绕组三相全控桥式电路片机入控制信号到 LM621的入端，通内部之后控制信号被加到功率MOSFET的极，通控制信号 MOSFET的开关，只要片机控制好各相出的相位关系在子到合适的位置后行相，就能在片机端口出 TTL 平的候出端将高信号直接加到无刷直流机的相相的上。
在三相逆路中，用最多的是如 2.4 所示的三相式全控逆路。
在路中，机的三相星形（ Y）。
VF1、VF2、⋯、 VF6 六只MOSFET功率管，起的开关作用。
他的通方式又可分两两通和三三通两种方式。
1.两两通方式所两两通方式是指每一瞬有两个功率管通，每隔 1/ 6 周期（ 60°角度）相一次，每次相一个功率管，每一功率管通 120° 角度。
各功率管的通序是 VF1VF2、 VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、 VF5VF6、 VF6VF1、⋯。
当功率管 VF1和 VF2通，流从 VF1管流入 A 相，再从 C相流出，VF2管回到源。
如果定流入的流所生的矩正，那么从流出所生的矩，它合成的矩如 2.5 （ a）所示，其大小3 Ta，方向在 Ta 和－ Tc 的角平分上。
当机 60°后，由 VF1VF2通成 VF2VF3通。
，流从 VF3流入 B 相再从 C相流出， VF2回到源，此合成的矩如 2.5 （b）所示，其大小同3 Ta。
但合成矩 Tbc 的方向了 60° 角度，而后每次相一个功率管，合成矩矢量方向就随着60° 角度，但大小始保持3 Ta 不。
2.5 （c）示出了全部合成矩的方向。
图2.5 星形（ Y ）联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图（a） VF1、 VF2导通时合成转矩；（ b） VF2、V F3 导通时合成转矩；（c）两两通电时合成转矩矢量图所以，同一台无刷直流机，每相通与三相半控路同的流，采用三相星形（ Y）全控路，在两两相的情况下，其合成矩增加了 3 倍。
每隔60° 角度向一次，每个功率管通120°，每个通240°，其中正相通和反相通各 120°，其出矩波形如 2.6 所示。
由 2.6 可以看出，三相全控的矩波比三相半控小得多。
如将三只霍感器按相位差 120°安装，它所生的波形如 2.（7 a）所示。
其相的控制路可由一片 74LS138 型 3－8 器和 74LS09、 74LS38两片路构成，本系采用无刷直流机用集成芯片LM621 控制，如2.7（b）所示。
图 2.6全控桥输出波形图（ a）(b)图 2.7全控桥两两通电电路原理示意图（ a）传感器输出波形；（b）原理示意图2.三三通方式所三三通方式，是指每一瞬均有三只功率管同通，每隔60°相一次，每个功率管通 180°。
它的通次序是 VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3、⋯。
当 VF6VF1VF2 通，流从 VF1流入 A 相， B 相和 C 相（ B、C两相并）分从 VF6 和 VF2 流出。
流 B 相和 C 相的流分流 A 相的 1/2 ，其合成矩如2.8 （a）所示，其方向与 A 相相同，而大小1.5Ta 。
60° 角度后，相到 VF1VF2VF3通，即先关断 VF6而后通 VF3 （注意，一定要先关 VF6 而后通 VF3，否就会出 VF6和 VF3同通，源被短路，是不允的）。
流分从 VF1和 VF3流入， A 相和 B 相（相当于 A 相和 B 相并）再流入 C 相， VF2流出，合成矩如2.8 （ b）所示，其方向与 -C 相同，子再 60° 角度后大小仍 1.5Ta 。
再 60° 角度后，相到 VF2VF3VF4通，而后依次推，循往复。
它的合成矩矢量如 2.8 （c）所示。
图2.8 三三通电时的合成转矩矢量图（a） VF6VF1VF2导通时合成转矩；（ b） VF1VF2VF3导通时合成转矩；（c）三三通电时的合成转矩在种通方式里，每瞬均有三个功率管通。
每隔 60° 相一次，每次有一个功率管相，每个功率管通180°。
从某一相上看，星形（Y）三三通方式一相波形如2.9 所示。
图 2.9星形（Y）联结三三通电方式一相电压波形此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。
它们各有特点，本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点：（1）直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。
（3）当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管【8】。
电压型逆变电路主要用于两方面：①笼式交流电动机变频调速系统。
由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。
②不停电电源。
该电源在逆变入端并接蓄电池，类似于电压源。