無刷直流電動機(jī)的發(fā)展及研究熱點(diǎn)探析

1、<p>　　無刷直流電動機(jī)的發(fā)展及研究熱點(diǎn)探析</p><p>　　摘要：無刷直流電機(jī)是當(dāng)今非常有發(fā)展前途和應(yīng)用前景的電子控制電機(jī)。分析了電力電子及微處理器技術(shù)對無刷直流電機(jī)發(fā)展的影響，并對無刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢與研究熱點(diǎn)進(jìn)行了初步探討。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：電力技術(shù) 直流電機(jī) 無刷電機(jī) 研究熱點(diǎn) </p><p>　　中圖分類號：F407文獻(xiàn)標(biāo)

2、識碼： A </p><p>　　直流電動機(jī)擁有優(yōu)秀的調(diào)速特性，主要表現(xiàn)為可控性好，寬調(diào)速范圍，大啟動轉(zhuǎn)矩，良好的低速性能，高效率，運(yùn)行穩(wěn)定等等，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)、白色家電、航空航天等領(lǐng)域。近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、新型永磁材料的出現(xiàn)，無刷直流電機(jī)得到了快速的發(fā)展。無刷直流電機(jī)的換相是通過電子換向代替機(jī)械電刷和換向器來實(shí)現(xiàn)的，既具備交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)

3、速性能好等諸多特點(diǎn)，同時(shí)還克服了有刷直流電機(jī)由于機(jī)械電刷所帶來的噪聲、火花、壽命短以及無線電干擾等缺點(diǎn)。 </p><p>　　1. 電力電子及微處理器技術(shù)對無刷直流電機(jī)發(fā)展的影響 </p><p>　　無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、功率驅(qū)動電路和位置傳感器三部分組成，其控制涉及電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、檢測與傳感器技術(shù)和控制理論技術(shù)。因此，新電子技術(shù)、新器件及新材料的出現(xiàn)都將進(jìn)一步推動無刷直

4、流電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。 </p><p>　　1.1小型化和集成化 </p><p>　　微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展將使電機(jī)控制系統(tǒng)朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展，如將電流、電壓、速度等信號融合后在進(jìn)行反饋，可使無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)更加簡單而可靠。另外，由于無刷直流電機(jī)采用稀土永磁材料制作轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子側(cè)無熱源，故電機(jī)內(nèi)部溫升較傳統(tǒng)直流電機(jī)小很多，使無刷直流電機(jī)逆變器控制電路裝入電

5、機(jī)內(nèi)部成為可能。逆變器與電機(jī)二者融為一體，使無刷直流電機(jī)與電子技術(shù)結(jié)合得更緊密，產(chǎn)品的附加值更高，整個控制系統(tǒng)也將朝小型化、集成化方向發(fā)展。 </p><p>　　1.2控制器全數(shù)字化 </p><p>　　無刷直流電機(jī)性能的改善和提高，除了與電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁材料及電子驅(qū)動電路密切相關(guān)外，更與其控制器密切相關(guān)。因此，也可以從提高電機(jī)控制器的性能著手來提高無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的整體性能。高速微處

6、理器及高密度可編程邏輯器件技術(shù)的出現(xiàn)，為此提供了可行的方案和可靠的保證。例如，在一些對控制成本和空間要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，增加位置傳感器不太實(shí)用或無法接受，而DSP等芯片固有的高速計(jì)算能力正可被用來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。 </p><p>　　1.3 PWM調(diào)制及其高效化 </p><p>　　無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用雙極性功率晶體管驅(qū)動時(shí)，驅(qū)動電路的開關(guān)頻率一般在2~5kHz，

7、該頻率范圍內(nèi)引起的噪聲在人耳聲頻范圍之內(nèi)，不利于人的身心健康。同時(shí)，在繞組電感不夠大時(shí)，繞組電流波形不太平滑、波動較大。采用MOSFET和IGBT之后，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫茲以上。這樣，不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。因此，在利用軟開關(guān)等新技術(shù)來降低開關(guān)損耗、增加開關(guān)壽命，并保證系統(tǒng)效率不變或提高的前提下，提高驅(qū)動電路的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)系統(tǒng)控制的綠色化PWM控制。而在器件開關(guān)頻率受限條件下，則可采用新的調(diào)制模式來提高P

8、WM調(diào)制的工作頻率，從而達(dá)到降低無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動，提高系統(tǒng)效率的目的。 </p><p>　　2. 無刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢與研究熱點(diǎn) </p><p>　　無刷直流電機(jī)既具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，如好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性，同時(shí)又像異步電機(jī)一樣結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋工業(yè)自動化、辦公自動化、家居自動化，無刷直流電機(jī)功率范圍已經(jīng)突破低微功率界限，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力從毫瓦級直至數(shù)百千瓦。

9、研制高性能的無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)成為一項(xiàng)普遍研究與發(fā)展趨勢；到目前而言對于無刷直流電機(jī)整個系統(tǒng)而言研究熱點(diǎn)集中于電機(jī)本體的研究、無轉(zhuǎn)子位置傳感器技術(shù)的研究、先進(jìn)控制理論的應(yīng)用研究、轉(zhuǎn)矩波動抑制研究，下面分別予以介紹。 </p><p>　　2.1 無刷直流電機(jī)本體 </p><p>　　在近年來電機(jī)本體的設(shè)計(jì)無不趨向于專用化多樣化，為適應(yīng)不同參數(shù)的永磁體材料出現(xiàn)了瓦型、環(huán)形表面粘接等各

10、種嵌入式內(nèi)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。在以前無刷直流電機(jī)主要是采用整數(shù)槽設(shè)計(jì)，而近年來分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用正逐漸增多；對于極數(shù)比較多的無刷直流電機(jī)如果采用分?jǐn)?shù)槽的設(shè)計(jì)能提高槽滿率，從而提高電動機(jī)性能。對于要求梯形波反電勢的無刷直流電機(jī)用方波控制時(shí)要求盡可能使平頂寬度不小于 120 電角度，設(shè)計(jì)方面總結(jié)出轉(zhuǎn)子采用瓦型磁鋼徑向充磁以及電樞繞組采用整距繞組等方法來逼近?？傊姍C(jī)本體的設(shè)計(jì)要滿足各種特殊環(huán)境的應(yīng)用要求，同時(shí)盡量消除齒槽反映轉(zhuǎn)矩，合理設(shè)計(jì)減

11、小電樞反映的影響。 </p><p>　　2.2 無刷直流電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器技術(shù) </p><p>　　從無刷直流電機(jī)的工作原理出發(fā)可知要由轉(zhuǎn)子位置信息來決定開關(guān)器件的換相邏輯，當(dāng)前大多采用霍爾位置傳感器來完成轉(zhuǎn)子位置信息的獲取，而在一些復(fù)雜環(huán)境下比如高溫、高壓將不能使用霍爾傳感器。隨著技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了少位置傳感器替代方法稱作為無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制技術(shù)，它們一般以檢測相電壓、線電壓、相電

12、流電流等容易獲取的物理量進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的軟硬件估算以獲取位置信號。其中較為成熟的主要有：續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、反電勢過零點(diǎn)檢測法、反電動勢三次諧波檢測法、反電動勢積分及參考電壓比較法、電感測量法、與速度無關(guān)函數(shù)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法、狀態(tài)觀測器法等等，然而截至目前這些無位置傳感器控制方法都因?yàn)榭煽啃缘?、成本過高、電機(jī)參數(shù)依賴性強(qiáng)等多種原因不能得到實(shí)用化；其中反電動勢法由于算法簡單電路結(jié)構(gòu)簡單得到了較多的推廣，但是由于沒有可靠的啟動方法現(xiàn)

13、在也只能用于輕負(fù)載。 </p><p>　　2.3 先進(jìn)控制理論應(yīng)用于無刷直流電機(jī) </p><p>　　在無刷直流電機(jī)的控制策略中以前主要是經(jīng)典控制理論，經(jīng)典控制理論發(fā)展早應(yīng)用廣泛理論和應(yīng)用都比較成熟比如經(jīng)典的PI 控制，非線性解耦控制等。當(dāng)然新型控制技術(shù)甚至包括智能控制理論有利于打破經(jīng)典控制理論的局限，主要出現(xiàn)了模糊PID控制器、模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模型參考自適應(yīng)，滑模變結(jié)構(gòu)控制，

14、狀態(tài)觀測器以及直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）等。 </p><p>　　2.4 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動抑制研究 </p><p>　　無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生原因有多種，但其表現(xiàn)出來的結(jié)果是電樞電流和反電勢波形不理想，二者相互作用不能產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩計(jì)算值。首先對于反電動勢波形為梯形波的無刷直流電機(jī)，多數(shù)采用兩相六狀態(tài)控制，主要的轉(zhuǎn)矩波動因素就是反電動勢梯形

15、波平頂寬度小于 120 電角度、電樞反應(yīng)、電流換相；對于反電動勢波形不理想的解決方式只能從電機(jī)本體入手，通過定子轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，繞組結(jié)構(gòu)等使波形趨近于理想波形。關(guān)于電樞反應(yīng)以及換電流換相引起的轉(zhuǎn)矩波動，對于一個已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的電機(jī)來說用方波驅(qū)動法這種波動是不可避免的；主要解決方法是選擇最優(yōu)開通角使電流相位反電動勢相位位置滿足轉(zhuǎn)矩恒定的計(jì)算方法來避免轉(zhuǎn)矩波動，通過合適的 PWM 調(diào)制方式或者由電流反饋來補(bǔ)償電流幅值的變化，最終抑制換相轉(zhuǎn)

16、矩脈動。 </p><p><b>　　3. 結(jié)束語 </b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展使得電機(jī)調(diào)速技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，電機(jī)調(diào)速的方式也越來越多元化。新的電力電子器件、高性能的數(shù)字集成電路和先進(jìn)的控制理論的推廣及應(yīng)用，使得電機(jī)控制系統(tǒng)所需的控制部件功能日益完善，使用較少的控制器就能完成所需的控制功能。與此同時(shí)，控制器件也做得

17、更加小巧美觀，控制器的可靠性提高而成本卻在逐漸降低，無刷直流電機(jī)正在逐漸替代有刷直流電機(jī)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 楊影，阮毅，陶生桂等.一種新型無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào).2010，14(2). </p><p>　　[2] 周廣銘.基于 DSP 的無刷直流電機(jī)控