工作原理
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化
无刷直流电机实物图?[1]
产品。 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。
直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。
此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
结构
直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响：
n=60．f / p。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
特点
1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；
直流无刷电机(3张)
2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；
3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；
4、体积小、重量轻、出力大；
5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；
6、无级调速，调速范围广，过载能力强；
7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；
8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。
9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；
10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；
11、不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；
12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。
应用
无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：
持续负载应用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。
可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。
定位应用：大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。
实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。
无刷直流电机驱动电路图
无刷直流电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。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能级的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。
无刷电机的工作原理：
无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。
无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。
位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。
采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。
采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。
采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。
系统设计的关键点和难点
<P>既然BLDC有很多优点，人们当然有理由将其应用到高尔夫球车这类微型车当中去，但为什么世面上现有的电动高尔夫球车均采用传统直流电机呢？答案或许很多，有两点却始终跑不掉，那就是成本和可靠性。先说成本，具有相近参数的BLDC比传统直流电机价格高，主要是永磁体贵，不过现在永磁体的价格呈下降的趋势[3]；他励直流电机的驱动要求主电路为三个桥臂，但有两个桥臂位于励磁回路，容量较小，而BLDC的驱动要求主电路为三相桥式驱动电路，它们身上均流过电枢电流，这大大增加了功率开关器件的投入。再说可靠性，采用霍尔位置传感器来检测电机转子位置以指导功率器件进行适当的换相，成本低，检测电路简单，但可靠性低[4]。当然，即便采用其他类型的传感器可靠性也高不到哪去，个人认为这跟传统直流电机的电刷和换向器一样让人头痛。这些问题怎么解决，以及一些其他电机驱动系统都具有的共性问题，我在下面的内容中进行阐述。
<P>较低的电压等级带来应对大电流的挑战
<P>在设计的最大功率下功率开关器件处理的电流峰值将达到100A。大电流将对因器件布置所带来的寄生参数、分布电感等问题提出严苛的要求，当然还有散热。同等情况下，BLDC的驱动需要更多的功率开关器件，但我们仍然希望能不增加控制器的体积。由于成本所限，不可能采用性能优良但价格昂贵的集成或智能功率器件（IPM），唯一可能的是尽力改善散热条件以减少功率MOSFET的数量。在这里我们引进了一种称为“铝基覆铜板”的散热方式[5]，灵感来源于IPM，在这类功率器件中，功率晶元甚至没有进行封装就直接表面贴装在铝基板上。接着我们还发现它在高强度LED光源、汽车点火系统等场合也多有应用。通过采用该散热方式，我们成功将原本七个一组并联减少到三个一组并联，效果让人欣喜。采用表面贴装的方式，功率开关器件的引脚寄生电感也可大大缩小，可谓一举两得。
<P>关于多管并联的均流问题，利用最差状态[6][7]（Worst Case）方法对多管并联的稳态均流问题进行分析，我们以此来确定多管并联时所采取的降额因子；但影响动态均流问题的因素过多，不便分析，从统计角度来分析多参数的影响是一个值得思考的方向。<br>力矩控制策略带来“闭环失效”问题
<P>采用力矩控 制策略来实现高尔夫球车驱动系统的控制，优点有很多诸如起动转矩大、响应迅速、限流效果好等。但力矩控制策略带来“闭环失效[8]” 问题：由于设计的驱动系统具有一倍的过载能力，当负载力矩始终无法达到油门踏板给定力矩时，油门踏板踏位处于负载力矩值与最大给定力矩值之间的任何变动不会对车辆的运行状态造成丝毫的改变。这与传统内燃汽车的驱动响应相异。
<P><br>在大量的实际调试中，我们小组总结出了一种行之有效的方法：这个思路非常简单，即让油门踏板踏位不仅对应力矩的给定量，还将与电机绕组最大给定线电压相对应。此时，油门踏板踏位的任何改变必然导致最大给定线电压的改变也必然将改变电机的转速。这可以从无刷直流电机的调压调速特性得出。这里我称其为“最大力矩控制策略”。对应不同类型的电机，该策略可能要做必要的调整
简单而新颖的无位置传感策略在全速度范围内寻找一种可靠的低成本的无位置传感器位置获取策略显得非常重要。得益于永磁无刷直流电机的工作特性——只需要离散的位置信号，以及相绕组之间的互感耦合效应，我们研究小组已经开发出一种称之为“间接电感法”的无位置传感器算法。通过分析我们发现在互感耦合效应会导致PWM调制的有效和无效期间相端电压的差与转子位置成一固定的关系。理论上分析，只要电压传感器件的精度达到要求，都可以得到可靠的位置信息。在低速范围内，这种方法显得更为有效，可以有效弥补反电动势法的不足以获得全速度范围内的转子位置信息。由于进度上的关系，该方法在本设计中没有体现，目前该策略的算法实现还在有条不紊的进行。<br> <br>Microchip芯片的特点及其在项目中的应用
主控制芯片是控制系统的核心，它提供给逆变器驱动信号、对功率驱动保护进行处理、实时采样转换电流等模拟信号、采集位置信号、通过开关量输入输出接收外部信息或者对外部进行控制、通过CAN总线与外部其它系统交换信息、对各种信息进行分析处理、协调各部分的工作等 本设计所描述的电动高尔夫球车永磁无刷直流电机驱动系统采用的主控制芯片dsPIC30F4011即来自司，它专为电机控制领域设计。dsPIC30F芯片被称为具有DSP功能的MCU，既具有控制功能强，而又有DSP的数字信号处理强的特点，这些特点使它比一般的DSP硬件开发电路更简单更便宜，而比同档的单片机更能适应数字信号处理的要求。在控制器的设计中，主要使用了芯片的如下外围模块资源
