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第四章直流无刷电动机控制器

第一节直流无刷电动机特点

电动自行车电动轮毂内部采用直流无刷电动机，与直流有刷电动

机驱动系统不同。直流有刷电动机采用传统的直流电动机，是由磁铁

定子、碳刷、换向器和绕组电枢转子等组成，电动自行车有刷电动机

通过脉宽调制（PWM）电路改变直流电动机的两端电压，从而改变

电动机转速，达到控制电动自行车速度的目的。而直流无刷电动机是

利用电子开关和位置传感器代替碳刷和换向器，将直流电通过逆变电

路分成三相，为定子绕组供电。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力矩，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，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，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相作用。

直流无刷电动机效率高，使用寿命长，无须保养，免维护，噪声

小，输出力矩大，是电动自行车的发展方向。常用的是低速无刷电动

机。

高速无刷有齿电动机是现在出现的一种新式电动机，具有更高的

机械效率，高达85%以上，过载力矩大，是今年电动自行车发展一个

亮点。

第二节无刷电动机基本原理

直流无刷电动机控制器是用来控制电动机定子上各相绕组通

电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单

元两个部件组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将

电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机的定子上各相

绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和

时间，主要取决于来自位置传感器的信号及逻辑开关信号。

传统的永磁直流有刷电动机的定子由永久钢组成，其主要的作用

是在电动机气隙中产生磁场，而其电枢绕组通电后产生反应磁场，由

于碳刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行过程中

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旋转。直

流无刷电动机为了实现无碳刷换向，把传统的直流永磁电动机的电枢

绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统永磁直流电动机

的结构正好相反。仅仅这样安装还不行，因为用普通直流电源给定子

各相绕组供电，只能产生固定磁场，就不能与运转中的转子磁钢所产

生的永磁磁场相互作用，以产生单方向的转矩来驱动转子转动，因此，

直流无刷电动机系统除了由定子绕组和转子等组成电动机的主体以

外，必须有由位置传感器、控制器中的位置信号处理、逻辑开关信号

以及功率开关共同构成的电子换向的装置，使得直流无刷电动机在运

行过程中定子绕组所产生的磁场，和转动中的转子磁钢所产生的永久

磁场在空间上尽量保持垂直，从而使转子获得最大转矩。

直流无刷电动机控制器基本原理见图5~2~2，图中W为定子绕

组，采用三相星形连接，三相绕组起点A、B、C接电源，三相绕组

末端A、B、C接BG1、BG2、BG3，N、S构成二极转子磁钢，以

BG1、BG2、BG3三只功率晶体管作电子开关，构成功率逻辑单元，

完成三相绕组电子换向的作用，H1、H2、H3是三只霍尔元件，用作

无刷电动机转子位置传感器。

直流无刷电动机转子转动原理如下：（见图5~2~2）

霍尔元件H1检测到转子的N极，产生信号使功率晶体管BG1

导通，电流从电源正极经A点流入绕组，a点流出，经导通的BG1

流入到电源负极，该电流使W1绕组磁化为S极吸引转子的N极，

产生转矩使转子按图中箭头方向转动如5~2~2a。接着霍尔元件

H2检测到转子的N极，产生信号使功率晶体管BG2导通，电流从

电源正极经B点流入绕组，b点流出，经导通的BG2流入到电源负

极，该电流使W2绕组磁化为S极吸引转子的N极，产生转矩，使

转子按图中箭头方向转动如5~2~2b。转动的转子转到图5~2~2c所示

位置时，霍尔元件H3检测到转子的N极，产生信号使功率晶体管

BG3导通，电流从电源正极经