无刷直流电动机的发展及研究热点探析

无刷直流电动机的发展及研究热点探析

摘要：无刷直流电机是当今非常有发展前途和应用前景的电子控制电机。分析了电力电子及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响，并对无刷直流电机的发展趋势与研究热点进行了初步探讨。

关键词：电力技术直流电机无刷电机研究热点

直流电动机拥有优秀的调速特性，主要表现为可控性好，宽调速范围，大启动转矩，良好的低速性能，高效率，运行稳定等等，因此广泛应用于工业、白色家电、航空航天等领域。近年来随着电力电子技术的发展、新型永磁材料的出现，无刷直流电机得到了快速的发展。无刷直流电机的换相是通过电子换向代替机械电刷和换向器来实现的，既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好等诸多特点，同时还克服了有刷直流电机由于机械电刷所带来的噪声、火花、寿命短以及无线电干扰等缺点。

1. 电力电子及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响

无刷直流电机主要由电机本体、功率驱动电路和位置传感器三部分组成，其控制涉及电机技术、电力电子技术、检测与传感器技术和控制理论技术。因此，新电子技术、新器件及新材料的出现都将进一步推动无刷直流电机的发展和应用。

1.1小型化和集成化

微机电系统(MEMS)技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器高度集成化的方向发展，如将电流、电压、速度等信号融合后在进行反馈，可使无刷直流电机控制系统更加简单而可靠。另外，由于无刷直流电机采用稀土永磁材料制作转子，转子侧无热源，故电机内部温升较传统直流电机小很多，使无刷直流电机逆变器控制电路装入电机内部成为可能。逆变器与电机二者融为一体，使无刷直流电机与电子技术结合得更紧密，产品的附加值更高，整个控制系统也将朝小型化、集成化方向发展。

1.2控制器全数字化

无刷直流电机性能的改善和提高，除了与电机转子永磁材料及电子驱动电路密切相关外，更与其控制器密切相关。因此，也可以从提高电机控制器的性能着手来提高无刷直流电机控制系统的整体性能。高速微处理器及高密度可编程逻辑器件技术的出现，为此提供了可行的方案和可靠的保证。例如，在一些对控制成本和空间要求严格的应用中，增加位置传感器不太实用或无法接受，而DSP等芯片固有的高速计算能力正可被用来实现无刷直流电机的无位置传感器控制。

1.3 PWM调制及其高效化

无刷直流电机控制系统采用双极性功率晶体管驱动时，驱动电路的开关频率一般在2~5kHz，该频率范围内引起的噪声在人耳声频范围之内，不利于人的身心健康。同时，在绕组电感不够大时，绕组电流波形不太平滑、波动较大。采用MOSFET和IGBT之后，开关频率可达几十千赫兹以上。这样，不论是电磁噪声还是电流波形都能得到改善。因此，在利用软开关等新技术来降低开关损耗、增加开关寿命，并保证系统效率不变或提高的前提下，提高驱动电路的开关频率可实现无刷直流电机系统控制的绿色化PWM控制。而在器件开关频率受限条件下，则可采用新的调制模式来提高PWM调制的工作频率，从而达到降低无刷直流电机转矩波动，提高系统效率的目的。

2. 无刷直流电机的发展趋势与研究热点

无刷直流电机既具有传统直流电机的优点，如好的机械特性和调节特性，同时又像异步电机一样结构简单。无刷直流电机的应用领域覆盖工业自动化、办公自动化、家居自动化，无刷直流电机功率范围已经突破低微功率界限，设计生产能力从毫瓦级直至数百千瓦。研制高性能的无刷直流电机及其控制系统成为一项普遍研究与发展趋势；到目前而言对于无刷直流电机整个系统而言研究热点集中于电机本体的研究、无转子位置传感器技术的研究、先进控制理论的应用研究、转矩波动抑制研究，下面分别予以介绍。

2.1 无刷直流电机本体

在近年来电机本体的设计无不趋向于专用化多样化，为适应不同参数的永磁体材料出现了瓦型、环形表面粘接等各种嵌入式内磁体结构设计方法。在以前无刷直流电机主要是采用整数槽设计，而近年来分数槽设计技术及应用正逐渐增多；对于极数比较多的无刷直流电机如果采用分数槽的设计能提高槽满率，从而提高电动机性能。对于要求梯形波反电势的无刷直流电机用方波控制时要求尽可能使平顶宽度不小于120 电角度，设计方面总结出转子采用瓦型磁钢径向充磁以及电枢绕组采用整距绕组等方法来逼近。总之电机本体的设计要满足各种特殊环境的应用要求，同时尽量消除齿槽反映转矩，合理设计减小电枢反映的影响。

2.2 无刷直流电机无转子位置传感器技术

从无刷直流电机的工作原理出发可知要由转子位置信息来决定开关器件的换相逻辑，当前大多采用霍尔位置传感器来完成转子位置信息的获取，而在一些复杂环境下比如高温、高压将不能使用霍尔传感器。随着技术的发展出现了少位置传感器替代方法称作为无转子位置传感器控制技术，它们一般以检测相电压、线电压、相电流电流等容易获取的物理量进行转子位置的软硬件估算以获取位置信号。其中较为成熟的主要有：续流二极管工作状态检测法、反电势过零点检测法、反电动势三次谐波检测法、反电动势积分及参考电压比较法、电感测量法、与速度无关函数法、扩展卡尔曼滤波法、状态观测器法等等，然而截至目前这些无位置传感器控制方法都因为可靠性低、成本过高、电机参数依赖性强等多种原因不能得到实用化；其中反电动势法由于算法简单电路结构简单得到了较多的推

广，但是由于没有可靠的启动方法现在也只能用于轻负载。

2.3 先进控制理论应用于无刷直流电机

在无刷直流电机的控制策略中以前主要是经典控制理论，经典控制理论发展早应用广泛理论和应用都比较成熟比如经典的PI 控制，非线性解耦控制等。当然新型控制技术甚至包括智能控制理论有利于打破经典控制理论的局限，主要出现了模糊PID控制器、模糊RBF神经网络控制，模型参考自适应，滑模变结构控制，状态观测器以及直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）等。

2.4 无刷直流电机转矩波动抑制研究

无刷直流电机转矩脉动产生原因有多种，但其表现出来的结果是电枢电流和反电势波形不理想，二者相互作用不能产生恒定的转矩计算值。首先对于反电动势波形为梯形波的无刷直流电机，多数采用两相六状态控制，主要的转矩波动因素就是反电动势梯形波平顶宽度小于120 电角度、电枢反应、电流换相；对于反电动势波形不理想的解决方式只能从电机本体入手，通过定子转子结构的合理设计，绕组结构等使波形趋近于理想波形。关于电枢反应以及换电流换相引起的转矩波动，对于一个已经设计完成的电机来说用方波驱动法这种波动是不可避免的；主要解决方法是选择最优开通角使电流相位反电动势相位位置满足转矩恒定的计算方法来避免转矩波动，通过合适的PWM 调制方式或者由电流反馈来补偿电流幅值的变化，最终抑制换相转矩脉动。

3. 结束语

随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的快速发展使得电机调速技术得到迅猛的发展，电机调速的方式也越来越多元化。新的电力电子器件、高性能的数字集成电路和先进的控制理论的推广及应用，使得电机控制系统所需的控制部件功能日益完善，使用较少的控制器就能完成所需的控制功能。与此同时，控制器件也做得更加小巧美观，控制器的可靠性提高而成本却在逐渐降低，无刷直流电机正在逐渐替代有刷直流电机。

参考文献：

[1] 杨影，阮毅，陶生桂等.一种新型无刷直流电机转子位置检测方法[J].电机与控制学报.2010，14(2).

[2] 周广铭.基于DSP 的无刷直流电机控制系统设计[D].大连：大连理工大学，2008.