无刷直流电动机及其控制技术的发展

摘　要：介绍了无刷直流电动机及其各个组成部分的发展现状，分析了目前无刷直流电动机有待进一步深入研究的问题，并指出了其发展方向。
关键词：无刷直流电动机；综述；控制

1　引 言

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*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［1］。

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*、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［2］。

直流无刷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［3］。本文从无刷电动机的三个部分对其发展进行分析。

2　各组成部分发展状况

2．1　电动机本体

无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可*性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展［4］。

目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩［5］。该类型电机正处于研究开发阶段。

2．2　电子换相电路

控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可*性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路
目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法；由于数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可*，使得直流无刷电动机的组成大为简化，性能大大改进，有利于电机的小型化和智能化，因而数字信号处理器是控制电路发展的方向［6］。

驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）〔7〕。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。

2．3　转子位置检测电路

永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。

用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可*性。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但对于*反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。

近年，有人提出了一种新的无位置传感器的无刷电动机，它不是利用反电动势来检测转子位置，而是通过贴于转子表面的非磁性导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置而变化，从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，这种无位置传感器的无刷电动机克服了一般无位置无刷电动机的启动和低速运行问题，但该方法需要特殊的电机，对电机的制造工艺提出很高的要求［8］。

3　有待研究问题

3．1　转矩脉动

目前，无刷直流电动机存在的最主要的问题就是存在转矩脉动。由于转矩存在脉动，使得无刷直流电动机在交流伺服系统中的应用受到了限制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化。尤其是用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电动机，更要求运行平稳、没有噪声。因而抑制或消除转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。

转矩脉动产生的原因主要有：齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动；谐波引起的转矩脉动；由于电枢等效电感的影响，由换相电流引起的转矩脉动。目前，各高校以及科研机构对转矩脉动问题展开了深入的研究，针对不同的产生原因，提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，从不同程度上提高了无刷电动机的性能。但是这些研究均是在原有结构、方案上提出了一些削弱或补偿的方法，没有从原理上或者根本上消除转矩的脉动。因而转矩的脉动还有待于进一步的研究。

3．2　无位置传感器的转子位置检测

无位置传感器转子位置检测的方法主要有：反电动势法、续流二极管法、电感法和状态观测法。其中反电动势法是最常见和应用最广泛的方法。但该方法是在忽略电枢反应的基础上的，在原理上就存在误差，对于大功率无刷电动机，电枢反应对气隙磁密的影响更明显，误差也就更大。另一方面，电机在启动和低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检测转子位置，无位置传感器的无刷电动机存在启动问题［9］。因此，如何在大功率无刷电动机中补偿反电动势法造成的转子位置信号的误差，以及如何克服反电动势法中电动机的启动问题，是急需解决的。对于启动问题，一般采用先用其他方法启动之后再切换到无位置传感器的运行方法。

4　无刷直流电动机的发展方向

随着电子技术、控制技术的发展，位置检测可以通过芯片配合适当的算法来实现。高速微处理器和DSP器件以及专用的控制芯片的出现，使得运行速度、处理能力有很大的提高。DSP固有的计算能力可用来在无刷电机上实现无传感器控制［10］。采用DSP实现无位置传感器控制成为研究的热点，低成本DSP无位置传感器无刷电动机，成为无刷直流电动机的发展方向。