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無刷直流電動機及其控制技術的發展

2015/7/8 15:09:57

直流電動機以其優良的轉矩特性在運動控制領域得到了廣泛的應用，但普通的直流電動機由于需要機械換相和電刷，可靠性差，需要經常維護；換相時產生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動機在控制系統中的進一步應用。為了克服機械換相帶來的缺點，以電子換相取代機械換相的無刷電機應運而生。1955年美國D．Harrison等人首次申請了用晶體管換相電路代替機械電刷的專利，標志著現代無刷電動機的誕生。而電子換相的無刷直流電動機真正進進實用階段，是在1978年的MAC經典無刷直流電動機及其驅動器的推出。之后，國際上對無刷直流電動機進行了深進的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波直流無刷電機。20多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術以及電力電子技術特別是大功率開關器件的發展，無刷電動機得到了長足的發展。無刷直流電動機已經不是專指具有電子換相的直流電機，而是泛指具有有刷直流電動機外部特性的電子換相電機［1］。

無刷直流電動機不僅保持了傳統直流電動機良好的動、靜態調速特性，且結構簡單、運行可靠、易于控制。其應用從最初的軍事產業，向航空航天、醫療、信息、家電以及產業自動化領域迅速發展。

在結構上，與有刷直流電動機不同，無刷直流電動機的定子繞組作為電樞，勵磁繞組由永磁材料所取代。按照流進電樞繞組的電流波形的不同，直流無刷電動機可分為方波直流電動機（BLDCM）和正弦波直流電動機（PMSM），BLDCM用電子換相取代了原直流電動機的機械換相，由永磁材料做轉子，省往了電刷；而PMSM則是用永磁材料取代同步電動機轉子中的勵磁繞組，省往了勵磁繞組、滑環和電刷。在相同的條件下，驅動電路要獲得方波比較輕易，且控制簡單，因而BLDCM的應用較PMSM要廣泛的多［2］。

直流無刷電動機一般由電子換相電路、轉子位置檢測電路和電動機本體三部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅動部分組成，而對轉子位置的檢測一般用位置傳感器來完成。工作時，控制器根據位置傳感器測得的電機轉子位置有序的觸發驅動電路中的各個功率管，進行有序換流，以驅動直流電動機［3］。本文從無刷電動機的三個部分對其發展進行分析。

2　各組成部分發展狀況

2．1　電動機本體

無刷直流電動機在電磁結構上和有刷直流電動機基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子采用的重量、簡化了結構、進步了性能，使其可靠性得以進步。無刷電動機的發展與永磁材料的發展是分不開的，磁性材料的發展過程基本上經歷了以下幾個發展階段：鋁鎳鈷，鐵氧體磁性材料，釹鐵硼（NdFeB）。釹鐵硼有高磁能積，它的出現引起了磁性材料的一場革命。第三代釹鐵硼永磁材料的應用，進一步減少了電機的用銅量，促使無刷電機向高效率、小型化、節能的方向發展［4］。

目前，為進步電動機的功率密度，出現了橫向磁場永磁電機，其定子齒槽與電樞線圈在空間位置上相互垂直，電機中的主磁通沿電機軸向流通，這種結構進步了氣隙磁密，能夠提供比傳統電機大得多的輸出轉矩［5］。該類型電機正處于研究開發階段。

2．2　電子換相電路

控制電路：無刷直流電動機通過控制驅動電路中的功率開關器件，來控制電機的轉速、轉向、轉矩以及保護電機，包括過流、過壓、過熱等保護。控制電路最初采用模擬電路，控制比較簡單。假如將電路數字化，很多硬件工作可以直接由軟件完成，可以減少硬件電路，進步其可靠性，同時可以進步控制電路抗干擾的能力，因而控制電路由模擬電路發展到數字電路。目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數字信號處理器等三種組成形式。對電機控制要求不高的場合，由專業集成電路組成控制電路是簡單實用的方法；由于數字信號處理器運算快，外圍電路少，系統組成簡單、可靠，使得直流無刷電動機的組成大為簡化，性能大大改進，有利于電機的小型化和智能化，因而數字信號處理器是控制電路發展的方向［6］。

驅動電路：驅動電路輸出電功率，驅動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅動電路由大功率開關器件組成。正是由于晶閘管的出現，直流電動機才從有刷實現到無刷的奔騰。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無自關斷能力的半控性開關器件，其開關頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進一步進步。隨著電力電子技術的飛速發展，出現了全控型的功率開關器件，其中有可關斷晶體管（GTO）、電力場效應晶體管（MOSFET）、金屬柵雙極性晶體管IGBT模塊、集成門極換流晶閘管（IGCT）及近年新開發的電子注進增強柵晶體管（IEGT）〔7〕。隨著這些功率器件性能的不斷進步，相應的無刷電動機的驅動電路也獲得了飛速發展。目前，全控型開關器件正在逐漸取代線路復雜、體積龐大、功能指標低的普通晶閘管，驅動電路已從線性放大狀態轉換為脈寬調制的開關狀態，相應的電路組成也由功率管分立電路轉成模塊化集成電路，為驅動電路實現智能化、高頻化、小型化創造了條件。

2．3　轉子位置檢測電路

永磁無刷電動機是一閉環的機電一體化系統，它是通過轉子磁極位置信號作為電子開關線路的換相信號，因此，正確檢測轉子位置，并根據轉子位置及時對功率器件進行切換，是無刷直流電動機正常運行的關鍵。

用位置傳感器來作為轉子的位置檢測裝置是最直接有效的方法。一般將位置傳感器安裝于轉子的軸上，實現轉子位置的實時檢測。最早的位置傳感器是磁電式的，既粗笨又復雜，已被淘汰；目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應用于無刷直流電動機中，另外還有光電式的位置傳感器。位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動機的重量和結構尺寸，不利于電機的小型化；旋轉時傳感器難免有磨損，且不易維護；同時，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機的運行性能；另一方面，由于傳輸線太多，輕易引進干擾信號；由于是硬件采集信號，更降低了系統的可靠性。為適應無刷電動機的進一步發展，無位置傳感器應運而生，它一般利用電樞繞組的感應反電動勢來間接獲得轉子磁極位置，與直接檢測法相比，省往了位置傳感器，簡化了電動機本體結構，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應用。但對于靠反電動勢進行位置檢測的無位置傳感器無刷電動機，由于靜止時不產生反電動勢，因而如何順利啟動是該電機需要解決的題目。

近年，有人提出了一種新的無位置傳感器的無刷電動機，它不是利用反電動勢來檢測轉子位置，而是通過貼于轉子表面的非磁性導電材料，利用定子繞組高頻開關工作時非磁性材料上的渦流效應，使開路相電壓的大小隨轉子位置而變化，從而可通過檢測開路相電壓來判定轉子位置，這種無位置傳感器的無刷電動機克服了一般無位置無刷電動機的啟動和低速運行題目，但該方法需要特殊的電機，對電機的制造工藝提出很高的要求［8］。

3　有待研究題目

3．1　轉矩脈動

目前，無刷直流電動機存在的最主要的題目就是存在轉矩脈動。由于轉矩存在脈動，使得無刷直流電動機在交流伺服系統中的應用受到了限制，尤其是在直接驅動應用的場合，轉矩脈動使得電機速度控制特性惡化。尤其是用于視聽設備、電影機械、計算機中的無刷直流電動機，更要求運行平穩、沒有噪聲。因而抑制或消除轉矩脈動成為進步伺服系統性能的關鍵。

轉矩脈動產生的原因主要有：齒槽效應和磁通畸變引起的轉矩脈動；諧波引起的轉矩脈動；由于電樞等效電感的影響，由換相電流引起的轉矩脈動。目前，各高校以及科研機構對轉矩脈動題目展開了深進的研究，針對不同的產生原因，提出了各種抑制或削弱轉矩脈動的方法，從不同程度上進步了無刷電動機的性能。但是這些研究均是在原有結構、方案上提出了一些削弱或補償的方法，沒有從原理上或者根本上消除轉矩的脈動。因而轉矩的脈動還有待于進一步的研究。

3．2　無位置傳感器的轉子位置檢測

無位置傳感器轉子位置檢測的方法主要有：反電動勢法、續流二極管法、電感法和狀態觀測法。其中反電動勢法是最常見和應用最廣泛的方法。但該方法是在忽略電樞反應的基礎上的，在原理上就存在誤差，對于大功率無刷電動機，電樞反應對氣隙磁密的影響更明顯，誤差也就更大。另一方面，電機在啟動和低速時，反電動勢為零或很小，很難通過反電動勢來檢測轉子位置，無位置傳感器的無刷電動機存在啟動題目［9］。因此，如何在大功率無刷電動機中補償反電動勢法造成的轉子位置信號的誤差，以及如何克服反電動勢法中電動機的啟動題目，是急需解決的。對于啟動題目，一般采用先用其他方法啟動之后再切換到無位置傳感器的運行方法。

4　無刷直流電動機的發展方向

隨著電子技術、控制技術的發展，位置檢測可以通過芯片配合適當的算法來實現。高速微處理器和DSP器件以及專用的控制芯片的出現，使得運行速度、處理能力有很大的進步。DSP固有的計算能力可用來在無刷電機上實現無傳感器控制［10］。采用DSP實現無位置傳感器控制成為研究的熱門，低本錢DSP無位置傳感器無刷電動機，成為無刷直流電動機的發展方向。