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

电机漏电抗，气隙磁通变化的不确定性对绕组电感的干扰而导致检测的不准确对换向信号的干扰作用十分明显，所以这种方法也不是特别常用。

卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波器法的思想是从一组有限的对物体位置的包含噪声的观察序列预测出物体的坐标位置及速度。状态观测器法是现代控制理论发展应用于无刷直流电机上的一种新型的控制方法，它的基本原理是: 打破了传统方法中电压电流与转子位置的关系，从无刷直流电机的基本方程经过离散变换得到以输入转矩，系统噪声为参数的关于转速ω与位置角度θ的状态方程，然后根据卡尔曼滤波公式和无刷直流电机模型，确定经变换后的各个参数的维数，带入卡尔曼递推公式就可以得到经过卡尔曼滤波之后关于转速和角度的预测方程。

这种方法由于在算法上的理论支持，所以能够较好的滤除掉系统产生的干扰信号，对转子位置的预测也比较准确。但是其应用并不是很广泛，因为算法复杂导致软件编写困难以及对控制器运算速度的要求较高，增大了开发成本。另外预测方程中的估测参数仍是绕组电压电流，因此参数确定的精确程度也一定程度上左右了这种方法的可行性。

各种方法的比较

无刷直流电机转子位置辨识方法有许多的种类，但就目前来看，反电势及其各种改进方法还是应用最广，技术最成熟的方法。虽然其在理论上做了一定程度上的近似而且在低速是性能有待提高，但是由于检测方便，对控制器要求较低，简单可靠，而且工程上对其误差的修正也比较容易，从而使该种方法成为无刷直流电机转子位置检测的主流; 电感法，电流法，涡流法等由于对传感器的高要求以及实现的困难从而应用较少; 而各种基于现代控制理论以及先进算法的无位置传感器虽然在检测精度以及调速范围上远远领先于反电势法，但是由于算法的复杂性以及对控制器运算速度上的要求，使得成本偏高，只能在对性能要求较高的场合使用。

无刷直流电机国内外发展现状

我国无刷直流电机的研制开发起于70年代初期，主要是为我国自行研制的军事装备和宇航技术发展而配套。由于需要量少，只需由某些科研单位试制提供就能满足要求。经过20多年的发展，虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷电机产品是综合了电机、微电子、控制、计算机等技术于一身的高技术产品，受到了我国基础工业落后的制约，因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大。目前，国内研制的单位虽不少，但能有一定批量的单位却屈指可数。据不完全统计，全国的年产量不超过10万台，其中绝大部分是属于低档的无刷风机，且价格高于进口产品，毫无市场竞争能力，制约发展的主要因素有：

1可供选择的电子元器件太少，尤其专用集成模块，国内仍然是空白，严重影响新产晶的开发和规模化生产，而且其可靠性差，价格高，难以满足实际生产需要。

2．科研与生产设备陈旧，尤其是大规模生产手段缺泛，难以保证产品质量一致性，生产效率低下，增加生产成本。

3．缺泛有效的应用研究，新产品开发没有针对性，研究和实用脱节，只追求成果的水平，忽略零部件的国产化，阻碍成果的转化。

4．国产的原材料及零部件质次价高，如无刷电机的关键磁性材料、铁氧体磁铁和稀土磁钢均无法满足需要，检测转子位置用传感器水平也很差。

5．大规模应用市场还未形成，由于无刷电机主要应用在高档的精密设备和仪器中，而这些产品目前我国还正处在开发中，即使有小批量生产，仍然是随整机从国外进口组装，国

产化仍刚刚起步，难以在短时间完成，缺乏大批量的需求，对电机制造业决定进行大规模技术改造是很困难的选择。

6．无刷直流电机属精密微特电机之列，需要较多精密加工设备和测试设备，投资量大，如筹建一座年产量百万台录相机用无刷直流电机生产厂，总投资需1．．5～2亿元，一般企业难以承受，严重影响企业的技术改造。

当今日本、德国、台湾是无刷电机主要生产国和地区，日本的年产量超过8000万台，其中约百分之五十出口诲外，德国年产量约3000万台，台湾主要生产较低档无刷风机，年产量超过1000万台。此外，美国也有一定量的生产，主要为国内市场需要，大多属高档精密型，一般产品需从国外进口，是无刷电机最大的进口国，年需要量几千万台，价值近10亿美元。西欧诸国每年也需从国外进口，满足其计算机、机床工业的需要。近几年，日元和马克连续升值，使两个无刷电机供应国的价格不断上升，很多国际贸易商纷纷到东亚及我国寻求产品，有些制造商将整个厂搬到大陆，如日本马渊公司连续在我国大连、深圳、苏州等市独立办了三个厂，其产量极大。台湾也有不少企业纷纷到大陆选点办厂，给我们带来引进技术和资金的极好机遇。

目前国内无刷电机市场仍呈潜在待开发的状态，但发展前景美好，预测今后5年内是一个大发展时期，主要的市场（应用）大致有：视听设备、计算机设备、办公自动化设备、自动化仪器仪表、各类记录仪、绘图仪、宇航自动机器、工业自动化设备、汽车工业、高档家用电器：无级变速风扇、洗衣机、冰箱、模糊控制空调器等。目前我国已有很多单位正在积极开发，引进国外先进技术，预测不久即将问世，对无刷电机的需求量急剧增加，进一步促进我刷电机开发和生产。

无刷直流电机市场应用

近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，其中无刷直流电机以其高效低噪等特点逐渐取代有刷电机，成为行业应用的一颗新星。

图 2 无刷直流电机市场占比

主流应用场景一：工业设备用无刷直流电机

工业应用场景对设备的精度、效率、性能等都有着较高的要求。在一些要求精确控制速度和位置的轻工机械中大多采用无刷电动机。如“电机控制保护，状态监测”任务就是应用在工业投料机上。

主流应用场景二：汽车用无刷直流电机

随着汽车向节能和环保方向的发展，包括无刷直流电机在内的高效永磁电机在汽车中具有很好的应用前景。电机除了可以作为汽车驱动的核心部件外，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。如“带霍尔传感器的直流电机控制”即可用在汽车上的雨刮器驱动。

主流应用场景三：医疗器械用无刷直流电机

随着国内医疗技术水平的发展和人们生活水平的提高，对医疗器械的实用性以及体验度要求亦日益严苛。如骨科医疗器械由于手术的需要，要求其动力系统能在较宽的范围连续变速，以适应铣缝、钻孔、锯等种场合的要求。现有骨科医疗器械用驱动电机是单相交直流串励电机及电压调节器，噪声非常大。

由于电刷和换相器的存在，致使手术前无法消毒，给手术的效果造成一定的影响，需要定时更换电刷及电机维护。而无刷直流电机却不存在以上隐患，作为驱动系统，其低噪音、宽范围调速、体积小、重量轻等特点，无疑是医疗器械的最佳选择。

主流应用场景四：家电用无刷直流电机

空调和冰箱中都有压缩机电机，传统的压缩机用电机通常为异步电机，其频率和功率因数较低，采用变频技术以后，情况有所改善。2009年末，英国戴森公司第一款无叶风扇出世，标志着无刷直流电机由工业应用向智能家电的渗透。

如今，家用吸尘器，搅拌机，电吹风机，摄像机和电风扇等其它电器也在逐步采用无刷直流电机代替传统的的单相异步电机。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，还能降低能源损耗，更好的实现能源的可持续性。主流应用场景五：电动车用无刷直流电机

目前电起动摩托车的起动电机和磁电机是两台各自独立的电机，发动机结构复杂，超越离合器打滑时会严重影响电动车的起动特性，起动电机通过电刷换向，电刷磨损严重，需要经常维护。

直流无刷起动磁电机是将直流无刷电机与磁电机合二为一，并将电子换向技术应用于起动电机，它省掉了减速机构和超越离合器，有效的简化了发动机结构，提高了运行可靠性，将成为今后的发展主流。

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