文献综述--无刷直流电机

文献综述

无刷直流电动机：

时间轴：

1955年—无刷电机诞生

1978年—无刷电机进入实用阶段

20世纪—无传感器无刷电机研制成功

无刷电动机的诞生标志是1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC 经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。

直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。

无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。

在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。

无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。

由于位置传感器的使用有如下缺点：

(1)增大电机尺寸；

(2)传感器信号传输线太多，容易引起干扰；

(3)高温、低温、污浊空气等恶劣工作条件会降低传感器可靠性；

(4)传感器的安装精度直接影响电机的运行性能等等，而且在有些特殊场合下电机根本无法安装位置传感器。

因此，无刷直流电机的无位置传感器技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究。无刷直流电机的无位置传感器控制的关键在于转子位置信号的获得，现在比较流行的方法有反电动势法、电感法、磁链法、旋转坐标法、卡尔曼滤波器法、续流二极管法、状态观测器法等。

无刷直流电机原理

控制原理

要让电机转动起来，首先控制部就必须根据位置检测器感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如下图 1 inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到位置检测器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

图1 换流器工作原理示意图

基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组，但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令与位置检测器信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到

较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于位置检测器信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的位置检测器信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。

位置检测方法

反电动势法的原理

反电动势法是最常见和应用最为广泛的一种无位置传感器转子位置检测方法。假设反电动势波形为理想梯形波，采用两两通电方式，图4所示为A、B、c三相的反电动势和电流波形。图中的梯形波为反电动势波形，非连续的矩形波为电流波形。从图中可以看出，每相在正负半个周期各导通120。电角度，任一时刻只有两相导通，另外一相关断。关断相的反电动势过零后，延时30。电角度即为该相的导通时刻。所以，检测反电动势过零点，就可以控制换流。

图 1 反电动势波形图

电感法

在无刷直流电机中绕组电感会根据转子位置的不同而变化，这是因为转子位置的变化使得定子与转子磁场耦合程度改变，这样的改变也会使得电机中性点的电压改变。同时在反电势法的改进方法中也提到，根据计算在反电势过零点的时候，中性点电压为1 /2Ud，一相断开，导通的两相绕组电感相等。根据这一原理，通过检测各相定子绕组的电感值，经过比较运算之后就可以得到转子位置信号。

还有一种电感法是针对凸极电机而使用的，在凸极电机中绕组自感可以看做是绕组轴线与转子直轴夹角的函数，通过检测电感值经过计算可以大致地获得转子位置信息，再根据铁心饱和程度的变化趋势来确定极性，从而获得精确的位置信号。不过这种方法只能应用在凸极电机上，应用不广。

从原理上说电感法有一定的可行性，但是主要的制约因素是电感值的检测。通常检测电感值是通过传感器将电感值转变为电信号，而由于电机内部本质上是一个非线性系统，由于