文獻綜述--無刷直流電機

1、文獻綜述無刷直流電動機：時間軸：1955 年無刷電機誕生1978 年無刷電機進入實用階段20 世紀無傳感器無刷電機研制成功無刷電動機的誕生標志是 1955 年美國 D Harrison 等人首次申請了用晶體管換相電路 代替機械電刷的專利。 而電子換相的無刷直流電動機真正進入實用階段， 是在 1978 年的 MAC 經(jīng)典無刷直流電動機與其驅動器的推出。 之后，國際上對無刷直流電動機進展了深入的研究， 先后研制成方波無刷電機和正弦波直流無刷電機。 20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子 技術、自動控制技術以與電力電子技術特別是大功率開關器件的開展， 無刷電動機得到了長 足的開展。 無刷直流電動機已

2、經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機， 而是泛指具有有刷直流 電動機外部特性的電子換相電機。直流電動機以其優(yōu)良的轉矩特性在運動控制領域得到了廣泛的應用， 但普通的直流電動 機由于需要機械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護；換相時產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影 響了直流電動機在控制系統(tǒng)中的進一步應用。 為了克制機械換相帶來的缺點， 以電子換相取 代機械換相的無刷電機應運而生。 1955 年美國 D Harrison 等人首次申請了用晶體管換相 電路代替機械電刷的專利， 標志著現(xiàn)代無刷電動機的誕生。 而電子換相的無刷直流電動機真正進入實用階段，是在 1978年的MAC經(jīng)典無刷直流電動機與其驅動器的推出。之后

3、，國際 上對無刷直流電動機進展了深入的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波直流無刷電機。20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術、自動控制技術以與電力電子技術特別是大功 率開關器件的開展， 無刷電動機得到了長足的開展。 無刷直流電動機已經(jīng)不是專指具有電子 換相的直流電機，而是泛指具有有刷直流電動機外部特性的電子換相電機。無刷直流電動機不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、 靜態(tài)調速特性， 且結構簡單、 運 行可靠、易于控制。其應用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以與工業(yè)自 動化領域迅速開展。在結構上， 與有刷直流電動機不同， 無刷直流電動機的定子繞組作為電樞， 勵磁繞組由 永磁材料

4、所取代。 按照流入電樞繞組的電流波形的不同， 直流無刷電動機可分為方波直流電 動機BLDCM和正弦波直流電動機PMSM, BLDCM用電子換相取代了原直流電動機的機械 換相，由永磁材料做轉子，省去了電刷；而PMSh那么是用永磁材料取代同步電動機轉子中的勵磁繞組，省去了勵磁繞組、 滑環(huán)和電刷。 在一樣的條件下，驅動電路要獲得方波比較容 易，且控制簡單，因而 BLDCM勺應用較PMS履廣泛的多。無刷直流電動機一般由電子換相電路、 轉子位置檢測電路和電動機本體三局部組成， 電 子換相電路一般由控制局部和驅動局部組成，而對轉子位置的檢測一般用位置傳感器來完 成。工作時， 控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機

5、轉子位置有序的觸發(fā)驅動電路中的各個功率 管，進展有序換流，以驅動直流電動機。由于位置傳感器的使用有如下缺點：(1) 增大電機尺寸；(2) 傳感器信號傳輸線太多，容易引起干擾；3高溫、低溫、污濁空氣等惡劣工作條件會降低傳感器可靠性；4傳感器的安裝精度直接影響電機的運行性能等等，而且在有些特殊場合下電機根本 無法安裝位置傳感器。因此，無刷直流電機的無位置傳感器技術近年來日益受到人們的關注，國外研究人員在這方面進展了積極的研究。無刷直流電機的無位置傳感器控制的關鍵在于轉子位置信號的獲 得，現(xiàn)在比較流行的方法有反電動勢法、電感法、磁鏈法、旋轉坐標法、卡爾曼濾波器法、 續(xù)流二極管法、狀態(tài)觀測器法等。無刷

6、直流電機原理控制原理要讓電機轉動起來，首先控制部就必須根據(jù)位置檢測器感應到的電機轉子目前所在位置， 然后依照定子繞線決定開啟或關閉換流器inverter 中功率晶體管的順序，如以下圖1inverter 中之AH BH CH這些稱為上臂功率晶體管與AL、BL、CL這些稱為下臂功率晶 體管，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向或逆向旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到位置檢測器感應出另一組信號的位置時， 控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉動直到控制部決 定要電機轉子停止那么關閉功率晶體管或只開下臂功率晶體管；要電機轉子反向那么功

7、率晶體管開啟順序相反。InvenerMotorCL圖1換流器工作原理示意圖根本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL 一組t AH CL一組宀BH CL 一組宀BHAL 一組t CH AL 一組t CH BL一組，但絕不能開成 AH AL或BH BL或CH CL。此外因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交織時間要將零件的響應時間 考慮進去，否那么當上臂或下臂尚未完全關閉，下臂或上臂就已開啟，結果就造成上、 下臂短路而使功率晶體管燒毀。位置檢測方法反電動勢法的原理反電動勢法是最常見和應用最為廣泛的一種無位置傳感器轉子位置檢測方法。假設反電動勢波形為理想梯形波， 采用兩兩通電

8、方式， 圖4所示為A、B、c三相的反電動勢和電流波 形。圖中的梯形波為反電動勢波形，非連續(xù)的矩形波為電流波形。從圖中可以看出，每相在正負半個周期各導通 120。電角度，任一時刻只有兩相導通，另外一相關斷。關斷相的反電 動勢過零后，延時30。電角度即為該相的導通時刻。所以，檢測反電動勢過零點，就可以控 制換流。電感法在無刷直流電機中繞組電感會根據(jù)轉子位置的不同而變化，這是因為轉子位置的變化使得定子與轉子磁場耦合程度改變，這樣的改變也會使得電機中性點的電壓改變。同時在反電勢法的改進方法中也提到，根據(jù)計算在反電勢過零點的時候，中性點電壓為1 /2Ud，相斷開，導通的兩相繞組電感相等。根據(jù)這一原理，通

9、過檢測各相定子繞組的電感值，經(jīng)過比擬運算之后就可以得到轉子位置信號。還有一種電感法是針對凸極電機而使用的，在凸極電機中繞組自感可以看做是繞組軸線與轉子直軸夾角的函數(shù)， 通過檢測電感值經(jīng)過計算可以大致地獲得轉子位置信息，再根據(jù)鐵心飽和程度的變化趨勢來確定極性，從而獲得準確的位置信號。不過這種方法只能應用在凸極電機上，應用不廣。從原理上說電感法有一定的可行性，但是主要的制約因素是電感值的檢測。通常檢測電感值是通過傳感器將電感值轉變?yōu)殡娦盘?，而由于電機部本質上是一個非線性系統(tǒng)，由于電機漏電抗，氣隙磁通變化的不確定性對繞組電感的干擾而導致檢測的不準確對換向信號的干 擾作用十清楚顯，所以這種方法也不是特

10、別常用?？柭鼮V波法卡爾曼濾波器法的思想是從一組有限的對物體位置的包含噪聲的觀察序列預測出物體 的坐標位置與速度。狀態(tài)觀測器法是現(xiàn)代控制理論開展應用于無刷直流電機上的一種新型的 控制方法，它的根本原理是：打破了傳統(tǒng)方法中電壓電流與轉子位置的關系，從無刷直流電機的根本方程經(jīng)過離散變換得到以輸入轉矩，系統(tǒng)噪聲為參數(shù)的關于轉速3與位置角度B的狀態(tài)方程，然后根據(jù)卡爾曼濾波公式和無刷直流電機模型，確定經(jīng)變換后的各個參數(shù)的維數(shù)，帶入卡爾曼遞推公式就可以得到經(jīng)過卡爾曼濾波之后關于轉速和角度的預測方程。這種方法由于在算法上的理論支持，所以能夠較好的濾除掉系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號，對轉子位置的預測也比較準確。但是其應

11、用并不是很廣泛，因為算法復雜導致軟件編寫困難以與 對控制器運算速度的要求較高，增大了開發(fā)本錢。另外預測方程中的估測參數(shù)仍是繞組電壓電流，因此參數(shù)確定的準確程度也一定程度上左右了這種方法的可行性。各種方法的比較無刷直流電機轉子位置辨識方法有許多的種類， 但就目前來看， 反電勢與其各種改進方 法還是應用最廣， 技術最成熟的方法。 雖然其在理論上做了一定程度上的近似而且在低速是 性能有待提高， 但是由于檢測方便， 對控制器要求較低， 簡單可靠，而且工程上對其誤差的 修正也比較容易，從而使該種方法成為無刷直流電機轉子位置檢測的主流 ; 電感法，電流 法，渦流法等由于對傳感器的高要求以與實現(xiàn)的困難從而應

12、用較少 ; 而各種基于現(xiàn)代控制 理論以與先進算法的無位置傳感器雖然在檢測精度以與調速圍上遠遠領先于反電勢法， 但是 由于算法的復雜性以與對控制器運算速度上的要求， 使得本錢偏高， 只能在對性能要求較高 的場合使用。無刷直流電機國外開展現(xiàn)狀我國無刷直流電機的研制開發(fā)起于 70 年代初期，主要是為我國自行研制的軍事裝備和 宇航技術開展而配套。 由于需要量少， 只需由某些科研單位試制提供就能滿足要求。 經(jīng)過 20 多年的開展， 雖然在新產(chǎn)品開發(fā)方面縮短了與國際先進水平的差距， 但由于無刷電機產(chǎn)品是 綜合了電機、微電子、控制、計算機等技術于一身的高技術產(chǎn)品， 受到了我國根底工業(yè)落后 的制約，因此無論在

13、產(chǎn)量、品種、質量與應用上與國際先進水平差距甚大。目前，國研制的 單位雖不少，但能有一定批量的單位卻屈指可數(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國的年產(chǎn)量不超過 10 萬臺， 其中絕大局部是屬于低檔的無刷風機， 且價格高于進口產(chǎn)品，毫無市場競爭能力，制 約開展的主要因素有：1 可供選擇的電子元器件太少，尤其專用集成模塊，國仍然是空白，嚴重影響新產(chǎn)晶的 開發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)，而且其可靠性差，價格高，難以滿足實際生產(chǎn)需要。2科研與生產(chǎn)設備舊，尤其是大規(guī)模生產(chǎn)手段缺泛，難以保證產(chǎn)品質量一致性，生產(chǎn) 效率低下，增加生產(chǎn)本錢。3缺泛有效的應用研究，新產(chǎn)品開發(fā)沒有針對性，研究和實用脫節(jié)，只追求成果的水 平，忽略零部件的國產(chǎn)化，阻

14、礙成果的轉化。4國產(chǎn)的原材料與零部件質次價高，如無刷電機的關鍵磁性材料、鐵氧體磁鐵和稀土 磁鋼均無法滿足需要，檢測轉子位置用傳感器水平也很差。5大規(guī)模應用市場還未形成，由于無刷電機主要應用在高檔的精細設備和儀器中，而 這些產(chǎn)品目前我國還正處在開發(fā)中， 即使有小批量生產(chǎn)， 仍然是隨整機從國外進口組裝， 國 產(chǎn)化仍剛剛起步， 難以在短時間完成， 缺乏大批量的需求， 對電機制造業(yè)決定進展大規(guī)模技 術改造是很困難的選擇。6無刷直流電機屬精細微特電機之列， 需要較多精細加工設備和測試設備， 投資量大， 如籌建一座年產(chǎn)量百萬臺錄相機用無刷直流電機生產(chǎn)廠，總投資需1. 52億元，一般企業(yè)難以承受，嚴重影響企

15、業(yè)的技術改造。當今日本、 德國、是無刷電機主要生產(chǎn)國和地區(qū)，日本的年產(chǎn)量超過 8000 萬臺，其中 約百分之五十出口誨外，德國年產(chǎn)量約 3000 萬臺，主要生產(chǎn)較低檔無刷風機，年產(chǎn)量超過 1000 萬臺。 此外， 美國也有一定量的生產(chǎn)， 主要為國市場需要， 大多屬高檔精細型， 一般產(chǎn) 品需從國外進口，是無刷電機最大的進口國，年需要量幾千萬臺，價值近10 億美元。西歐諸國每年也需從國外進口， 滿足其計算機、 機床工業(yè)的需要。 近幾年，日元和馬克連續(xù)升值， 使兩個無刷電機供應國的價格不斷上升， 很多國際貿易商紛紛到東亞與我國尋求產(chǎn)品， 有些 制造商將整個廠搬到大陸，如日本馬淵公司連續(xù)在我國、 、等

16、市獨立辦了三個廠，其產(chǎn)量極大。也有不少企業(yè)紛紛到大陸選點辦廠，給我們帶來引進技術和資金的極好機遇。目前國無刷電機市場仍呈潛在待開發(fā)的狀態(tài)，但開展前景美好，預測今后5年是一個大開展時期，主要的市場應用大致有：視聽設備、計算機設備、辦公自動化設備、自動化 儀器儀表、各類記錄儀、繪圖儀、宇航自動機器、工業(yè)自動化設備、汽車工業(yè)、高檔家用電 器：無級變速風扇、洗衣機、冰箱、模糊控制空調器等。目前我國已有很多單位正在積極開 發(fā)，引進國外先進技術， 預測不久即將問世， 對無刷電機的需求量急劇增加，進一步促進我 刷電機開發(fā)和生產(chǎn)。無刷直流電機市場應用其中無刷直流電機以其高效低噪等近年來，我國中小型電機和微特電

17、機行業(yè)開展迅速, 特點逐漸取代有刷電機，成為行業(yè)應用的一顆新星。圖2 無刷直流電機市場占比主流應用場景一：工業(yè)設備用無刷直流電機工業(yè)應用場景對設備的精度、效率、性能等都有著較高的要求。在一些要求準確控制速 度和位置的輕工機械多采用無刷電動機。 如“電機控制保護，狀態(tài)監(jiān)測'任務就是應用在工 業(yè)投料機上。主流應用場景二：汽車用無刷直流電機隨著汽車向節(jié)能和環(huán)保方向的開展，包括無刷直流電機在的高效永磁電機在汽車中具有很好的應用前景。電機除了可以作為汽車驅動的核心部件外，還可以用在汽車空調、雨刮器、電動車門平安氣囊、電動座椅等驅動上。如“帶霍爾傳感器的直流電機控制即可用在汽車 上的雨刮器驅動。主

18、流應用場景三：醫(yī)療器械用無刷直流電機隨著國醫(yī)療技術水平的開展和人們生活水平的提高，對醫(yī)療器械的實用性以與體驗度要求亦日益嚴苛。如骨科醫(yī)療器械由于手術的需要，要求其動力系統(tǒng)能在較寬的圍連續(xù)變速， 以適應銃縫、鉆孔、鋸等種場合的要求?，F(xiàn)有骨科醫(yī)療器械用驅動電機是單相交直流串勵電 機與電壓調節(jié)器，噪聲非常大。由于電刷和換相器的存在，致使手術前無法消毒，給手術的效果造成一定的影響，需定時更換電刷與電機維護。而無刷直流電機卻不存在以上隱患，作為驅動系統(tǒng)，其低噪音、 寬圍調速、體積小、重量輕等特點，無疑是醫(yī)療器械的最正確選擇。主流應用場景四：家電用無刷直流電機空調和冰箱中都有壓縮機電機， 傳統(tǒng)的壓縮機用電

19、機通常為異步電機， 其頻率和功率因 數(shù)較低，采用變頻技術以后，情況有所改善。 2021 年末，英國戴森公司第一款無葉風扇出 世，標志著無刷直流電機由工業(yè)應用向智能家電的滲透。如今， 家用吸塵器， 攪拌機，電吹風機， 攝像機和電風扇等其它電器也在逐步采用無刷 直流電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的的單相異步電機。無刷直流電機不僅能克制傳統(tǒng)家用電機的局部缺點， 給人們的居家生活帶來更高的舒適性，還能降低能源損耗，更好的實現(xiàn)能源的可持續(xù)性。 主流應用場景五：電動車用無刷直流電機目前電起動摩托車的起動電機和磁電機是兩臺各自獨立的電機， 發(fā)動機結構復雜， 超越 離合器打滑時會嚴重影響電動車的起動特性， 起動電機通過電刷換向， 電刷磨損嚴重， 需要 經(jīng)常維護