无刷直流电机调速控制原理

电动助力车大都使用轮毂电机，即把电机做成轮毂的样子，直接驱动后轮，从而降低成本，且可提高其电能与机械能的转换效率。现在的电动助力车，一般都采用如下三种电机：高效低速稀土永磁直流无刷电机、高效低速永磁直流有刷电机、高效高速稀土永磁直流有刷电机。

直流电机在转动过程中，绕组中的电流要不断地改变方向，以使转子向一个方向转动。其中，有刷电机是采用电刷与换相器通过机械接触的方式进行换相的；而无刷电机则是通过霍尔传感器检测出绕组实时运转位置的信号，再通过微处理器或专用芯片对采集的信号进行处理，并实时控制相应的驱动电路对电机绕组进行控制。由于无刷电机的换相是通过传感器及相关电路进行的，所以这种电机没有电刷与换相器的机械接触与磨损，不需要经常换电刷等易损器件，从而可有效提高电机的使用寿命，减少维修费用。同时，由于无刷电机没有电刷与换相器之间的摩擦，所以在换相期间没有电火花产生，这样将大大减小对整机控制系统的干扰。但是，由于无刷电机的电流换相需要专门的电路进行控制，所以整个控制电路将会比较复杂。

通常，电动助力车的无刷电机与车的后轮主轴为一体，其定子安装在主轴上，电机的外壳作为转子，通过钢丝与后轮钢圈连接。电动助力车的无刷电机三个绕组按三角形方式连接，当给电机加直流电时，其三个绕组中的电流流向变化有三种(如图1所示)：

1．设第一拍C端悬空，则Ic=0，电流从B端流向A端，可得知Ib=Ia，但极性相反，另有I1=I2。

2．第二拍时A端悬空，电流从C端流向B端。

3．第三拍工作时B端悬空，电流从A端流向C端。第二拍与第三拍的分析与第一拍类似。

假设按上述顺序对电机进行电流运行方向控制，每经过三个节拍的电流方向就会转换，由于绕组产生的磁场在定子中旋转了一圈(360°)，故称为一个循环周期。由于转子的结构设计所决定：每6个循环周期(18拍)，转子旋转一圈，即车轮转动一周。为了实现图1所示的电流流向转换使电机连续运行，在电机中安装了三个霍尔传感器，以实时检测转子的磁极位置。再由传感器将检测出的位置信号，经过信号电路处理后去控制电机的电流方向。无刷电机的三相绕组运行电流逻辑关系如图2所示。





电机的转速与流过电机的电流有关，电流越大，磁场就越强，定子磁极与转子磁极间的吸引力越大、转速也就越高。因此，控制电流即可控制电机的转速。现以图1的第一拍为例，分析用控制电流的形式达到控制电机运行的方法，图3是被控电流方向及驱动的简化电路。当MOS管T1栅极脉冲为高电平时，T1管导通，流过电机的电流为Ip。当T1管栅极脉冲为低电平时，则截止，储存在电机绕组中的电能产生反电势，流经续流二极管D产生电流In。从上述可知，流过电机的电流实际为直流电流，其值大小决定于脉冲宽度，这种控制方式即是脉宽调制(PWM)控制。也就是说，在电动助力车系统中无刷电机的功率控制，是采用脉宽调制方式，也就是外界调速信号经过电路后对电机驱动的脉冲宽度进行调整控制。