无刷直流电机控制系统的设计(一)

1 引言

无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向

机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。

1.1 无刷直流电机的发展概况

无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。

19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。

1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。

在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。

20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。

1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。

无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间，都停留在实验阶段，无法推广到实际中使用，1970年以后，半导体的快速发展，许多新型的全控型

半导体功率器件（如MOSFET、IGBT等）不断出现，而且高性能的永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现[2]，这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利的条件。

由于无刷直流电机的广泛使用，无刷直流电机的理论也不断得到修改完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电机作了系统的总结，这样标志着无刷直流电机在理论上走向成熟。

1.2 无刷直流电机

1.2.1 无刷直流电机的结构

无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。它和有刷直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构相似（原来的定子变为转子，转子变为定子），绕组的接线一样[3]。然而，结构上有明显的区别：无刷直流电机没有有刷直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结构简单，减少了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不会自动换相，这使的电机控制器成本的提高。

图1.1 无刷直流电机模型

图1.1所示为小功率的三相、星形连接无刷直流电机，定子在，转子在外，结构与直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构刚好相反，转子在，定子在外。

1.2.2 无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机的定子是线圈绕组，转子是永磁体。检测电机转子的位置，根据转子的位置给电机的相应线圈通电，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，转子才可以跟着磁场转动起来。

如图1.2 无刷直流电机转动原理

如图1.2所示为无刷直流电机的转动原理示意图，定子的线圈一端接电源，其余三相接功率管，位置传感器导通时功率管的G极接+12V，功率管导通，对应的相线圈通电。三个位置传感器随转子转动，依次导通，对应线圈也依次通电，从而定子产生的磁场不断地变化，电机转子也转动起来，这就是无刷直流电机的转动原理。

1.2.3 无刷直流电机的磁路结构和定子绕组

磁路是指磁通能通过的路径，无刷直流电机中，转子上安装永磁体，作为磁极，电机转子磁极多是4个或6个永磁体。转子数目增加，相应的定子绕组也增加，但不需要增加驱动电路数目。主磁场一般由转子永磁体产生，从S极回到N极而闭合。

绕组是指按照一定规律连接起来的一组线圈总体。绕组导电以后，和转子产生的磁场相互作用，产生力或力矩，将电能转换成机械能，故又将定子绕组称为电枢绕组。

1.3 无刷直流电机的应用

近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，是由于其本身具有高效率、寿命长、低噪音和较好的转矩-转速特性的优点。特别在汽车、航空、家用电器等行业中发展较好[15]。

车用无刷直流电机：电机可以作为驱动的核心部件，而且还可以用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。

航空航天用无刷直流电机：利用电机驱动设备代替气动和液压传动装置已成为航空航天发展中的一种趋势。航空航天电机由于其应用场合的特殊性，一般要求所用电机体积小，结构简单。

无刷直流电机在家用电机中的应用：家用电气电子驱动电机每年约30%的增幅发

展，现代电器朝着节能、低噪音、智能化和高可靠性方向发展。空调和冰箱中都有压缩机电机，传统的压缩机一般是异步电机，其效率和功率因数较低，采用变频技术以后，情况有所改善。VCD、DVD、CD机等家用电器的主轴驱动电机也使用无刷直流电机，这类电机一般采用盘式无铁心电机结构，现已经大规模生产，价格便宜。无刷直流电机不仅能克服传统家用电机的部分缺点，给人们的居家生活带来更高的舒适性，还能降低能源耗损，更好的实现能源的可持续利用。

无刷直流电机在办公自动化中的应用：计算机外设和办公自动化设备用电机，绝大部分为先进制造技术和新兴微电子技术相结合的高档精密无刷直流电机，是技术密集化产品。这种高性能无刷直流电机伺服控制系统的采用能大大改善产品的质量，提高产品的价值。无刷直流电机在数码相机上也得到广泛的应用，如日本TOSHIBA和SANYO公司已生产出无刷直流电机驱动的相机。无刷直流电机驱动的激光打印机产品也已经有了较长的历史，它的转速可以在每分钟几千到几万转的围精确控制，具有很好的技术和市场竞争力。另外，无刷直流电机在计算机、录音机和CD 影碟机等设备产品中也有很好的应用[7 ~10]。

1.4 无刷直流电机的发展趋势

新电子技术、新器件、新材料及新的控制方法的出现将进一步推动无刷直流电机的发展和应用[11 ~14]。

(1) 电子电力及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响

这使电机向小型化与集成化、控制器全数字化、绿色PWM控制及其高效化发展。

(2) 永磁材料对无刷直流电机发展的影响

电机的小型化、轻量化及高效化与磁性材料的发展息息相关。每当出现新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促进电机的设计理论、计算方法和结构工艺研制水平的提高到一个新的台阶。

(3) 新型无刷直流电机的开发

在无刷直流电机控制系统中，速度和转矩波动一直是需要进一步解决的问题，尤其是用于视听设备、航空电气、计算机中的无刷直流电机，更要求其具有运行平稳、精度高、噪声小等特点。总之从结构上研究和开发新型电机必然是今后无刷直流电机发展的方向之一。

(4) 先进控制策略的应用