文獻(xiàn)綜述--無刷直流電機(jī)

1、文獻(xiàn)綜述無刷直流電動(dòng)機(jī)：時(shí)間軸：1955 年無刷電機(jī)誕生1978 年無刷電機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段20 世紀(jì)無傳感器無刷電機(jī)研制成功無刷電動(dòng)機(jī)的誕生標(biāo)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(jī)械電刷的專利。 而電子換相的無刷直流電動(dòng)機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段， 是在 1978 年的 MAC 經(jīng)典無刷直流電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器的推出。 之后，國際上對無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)展了深入的研究， 先后研制成方波無刷電機(jī)和正弦波直流無刷電機(jī)。 20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子 技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以與電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的開展， 無刷電動(dòng)機(jī)得到了長 足的開展。 無刷直流電動(dòng)機(jī)已

2、經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機(jī)， 而是泛指具有有刷直流 電動(dòng)機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用， 但普通的直流電動(dòng) 機(jī)由于需要機(jī)械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影 響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。 為了克制機(jī)械換相帶來的缺點(diǎn)， 以電子換相取 代機(jī)械換相的無刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)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(jī)械電刷的專利， 標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電動(dòng)機(jī)的誕生。 而電子換相的無刷直流電動(dòng)機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段，是在 1978年的MAC經(jīng)典無刷直流電動(dòng)機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器的推出。之后

3、，國際 上對無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)展了深入的研究，先后研制成方波無刷電機(jī)和正弦波直流無刷電機(jī)。20 多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以與電力電子技術(shù)特別是大功 率開關(guān)器件的開展， 無刷電動(dòng)機(jī)得到了長足的開展。 無刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是專指具有電子 換相的直流電機(jī)，而是泛指具有有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、 靜態(tài)調(diào)速特性， 且結(jié)構(gòu)簡單、 運(yùn) 行可靠、易于控制。其應(yīng)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(dòng)化領(lǐng)域迅速開展。在結(jié)構(gòu)上， 與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同， 無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組作為電樞， 勵(lì)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(dòng)機(jī)可分為方波直流電 動(dòng)機(jī)BLDCM和正弦波直流電動(dòng)機(jī)PMSM, BLDCM用電子換相取代了原直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械 換相，由永磁材料做轉(zhuǎn)子，省去了電刷；而PMSh那么是用永磁材料取代同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁繞組、 滑環(huán)和電刷。 在一樣的條件下，驅(qū)動(dòng)電路要獲得方波比較容 易，且控制簡單，因而 BLDCM勺應(yīng)用較PMS履廣泛的多。無刷直流電動(dòng)機(jī)一般由電子換相電路、 轉(zhuǎn)子位置檢測電路和電動(dòng)機(jī)本體三局部組成， 電 子換相電路一般由控制局部和驅(qū)動(dòng)局部組成，而對轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用位置傳感器來完 成。工作時(shí)， 控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機(jī)

5、轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率 管，進(jìn)展有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。由于位置傳感器的使用有如下缺點(diǎn)：(1) 增大電機(jī)尺寸；(2) 傳感器信號(hào)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(huì)降低傳感器可靠性；4傳感器的安裝精度直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能等等，而且在有些特殊場合下電機(jī)根本 無法安裝位置傳感器。因此，無刷直流電機(jī)的無位置傳感器技術(shù)近年來日益受到人們的關(guān)注，國外研究人員在這方面進(jìn)展了積極的研究。無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的獲 得，現(xiàn)在比較流行的方法有反電動(dòng)勢法、電感法、磁鏈法、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jī)原理控制原理要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先控制部就必須根據(jù)位置檢測器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置， 然后依照定子繞線決定開啟或關(guān)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(jī)線圈產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到位置檢測器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)， 控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決 定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止那么關(guān)閉功率晶體管或只開下臂功率晶體管；要電機(jī)轉(zhuǎn)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?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交織時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間 考慮進(jìn)去，否那么當(dāng)上臂或下臂尚未完全關(guān)閉，下臂或上臂就已開啟，結(jié)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(dòng)勢法的原理反電動(dòng)勢法是最常見和應(yīng)用最為廣泛的一種無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方法。假設(shè)反電動(dòng)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(dòng)勢和電流波 形。圖中的梯形波為反電動(dòng)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(fù)半個(gè)周期各導(dǎo)通 120。電角度，任一時(shí)刻只有兩相導(dǎo)通，另外一相關(guān)斷。關(guān)斷相的反電 動(dòng)勢過零后，延時(shí)30。電角度即為該相的導(dǎo)通時(shí)刻。所以，檢測反電動(dòng)勢過零點(diǎn)，就可以控 制換流。電感法在無刷直流電機(jī)中繞組電感會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的不同而變化，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子位置的變化使得定子與轉(zhuǎn)子磁場耦合程度改變，這樣的改變也會(huì)使得電機(jī)中性點(diǎn)的電壓改變。同時(shí)在反電勢法的改進(jìn)方法中也提到，根據(jù)計(jì)算在反電勢過零點(diǎn)的時(shí)候，中性點(diǎn)電壓為1 /2Ud，相斷開，導(dǎo)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(yùn)算之后就可以得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。還有一種電感法是針對凸極電機(jī)而使用的，在凸極電機(jī)中繞組自感可以看做是繞組軸線與轉(zhuǎn)子直軸夾角的函數(shù)， 通過檢測電感值經(jīng)過計(jì)算可以大致地獲得轉(zhuǎn)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(zhǔn)確的位置信號(hào)。不過這種方法只能應(yīng)用在凸極電機(jī)上，應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，而由于電機(jī)部本質(zhì)上是一個(gè)非線性系統(tǒng)，由于電機(jī)漏電抗，氣隙磁通變化的不確定性對繞組電感的干擾而導(dǎo)致檢測的不準(zhǔn)確對換向信號(hào)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(yù)測出物體 的坐標(biāo)位置與速度。狀態(tài)觀測器法是現(xiàn)代控制理論開展應(yīng)用于無刷直流電機(jī)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(zhuǎn)子位置的關(guān)系，從無刷直流電機(jī)的根本方程經(jīng)過離散變換得到以輸入轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)噪聲為參數(shù)的關(guān)于轉(zhuǎn)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(jī)模型，確定經(jīng)變換后的各個(gè)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(guān)于轉(zhuǎn)速和角度的預(yù)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(hào)，對轉(zhuǎn)子位置的預(yù)測也比較準(zhǔn)確。但是其應(yīng)

11、用并不是很廣泛，因?yàn)樗惴◤?fù)雜導(dǎo)致軟件編寫困難以與 對控制器運(yùn)算速度的要求較高，增大了開發(fā)本錢。另外預(yù)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(zhǔn)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(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)方法有許多的種類， 但就目前來看， 反電勢與其各種改進(jìn)方 法還是應(yīng)用最廣， 技術(shù)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(jī)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)的困難從而應(yīng)

12、用較少 ; 而各種基于現(xiàn)代控制 理論以與先進(jìn)算法的無位置傳感器雖然在檢測精度以與調(diào)速圍上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于反電勢法， 但是 由于算法的復(fù)雜性以與對控制器運(yùn)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(jī)國外開展現(xiàn)狀我國無刷直流電機(jī)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(shù)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(jìn)水平的差距， 但由于無刷電機(jī)產(chǎn)品是 綜合了電機(jī)、微電子、控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一身的高技術(shù)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(zhì)量與應(yīng)用上與國際先進(jìn)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(jì)，全國的年產(chǎn)量不超過 10 萬臺(tái)， 其中絕大局部是屬于低檔的無刷風(fēng)機(jī)， 且價(jià)格高于進(jìn)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(yán)重影響新產(chǎn)晶的 開發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)，而且其可靠性差，價(jià)格高，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。2科研與生產(chǎn)設(shè)備舊，尤其是大規(guī)模生產(chǎn)手段缺泛，難以保證產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)用研究，新產(chǎn)品開發(fā)沒有針對性，研究和實(shí)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(zhuǎn)化。4國產(chǎn)的原材料與零部件質(zhì)次價(jià)高，如無刷電機(jī)的關(guān)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(zhuǎn)子位置用傳感器水平也很差。5大規(guī)模應(yīng)用市場還未形成，由于無刷電機(jī)主要應(yīng)用在高檔的精細(xì)設(shè)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(jī)從國外進(jìn)口組裝， 國 產(chǎn)化仍剛剛起步， 難以在短時(shí)間完成， 缺乏大批量的需求， 對電機(jī)制造業(yè)決定進(jìn)展大規(guī)模技 術(shù)改造是很困難的選擇。6無刷直流電機(jī)屬精細(xì)微特電機(jī)之列， 需要較多精細(xì)加工設(shè)備和測試設(shè)備， 投資量大， 如籌建一座年產(chǎn)量百萬臺(tái)錄相機(jī)用無刷直流電機(jī)生產(chǎn)廠，總投資需1. 52億元，一般企業(yè)難以承受，嚴(yán)重影響企

15、業(yè)的技術(shù)改造。當(dāng)今日本、 德國、是無刷電機(jī)主要生產(chǎn)國和地區(qū)，日本的年產(chǎn)量超過 8000 萬臺(tái)，其中 約百分之五十出口誨外，德國年產(chǎn)量約 3000 萬臺(tái)，主要生產(chǎn)較低檔無刷風(fēng)機(jī)，年產(chǎn)量超過 1000 萬臺(tái)。 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(xì)型， 一般產(chǎn) 品需從國外進(jìn)口，是無刷電機(jī)最大的進(jìn)口國，年需要量幾千萬臺(tái)，價(jià)值近10 億美元。西歐諸國每年也需從國外進(jìn)口， 滿足其計(jì)算機(jī)、 機(jī)床工業(yè)的需要。 近幾年，日元和馬克連續(xù)升值， 使兩個(gè)無刷電機(jī)供應(yīng)國的價(jià)格不斷上升， 很多國際貿(mào)易商紛紛到東亞與我國尋求產(chǎn)品， 有些 制造商將整個(gè)廠搬到大陸，如日本馬淵公司連續(xù)在我國、 、等

16、市獨(dú)立辦了三個(gè)廠，其產(chǎn)量極大。也有不少企業(yè)紛紛到大陸選點(diǎn)辦廠，給我們帶來引進(jìn)技術(shù)和資金的極好機(jī)遇。目前國無刷電機(jī)市場仍呈潛在待開發(fā)的狀態(tài)，但開展前景美好，預(yù)測今后5年是一個(gè)大開展時(shí)期，主要的市場應(yīng)用大致有：視聽設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備、自動(dòng)化 儀器儀表、各類記錄儀、繪圖儀、宇航自動(dòng)機(jī)器、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、汽車工業(yè)、高檔家用電 器：無級(jí)變速風(fēng)扇、洗衣機(jī)、冰箱、模糊控制空調(diào)器等。目前我國已有很多單位正在積極開 發(fā)，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)， 預(yù)測不久即將問世， 對無刷電機(jī)的需求量急劇增加，進(jìn)一步促進(jìn)我 刷電機(jī)開發(fā)和生產(chǎn)。無刷直流電機(jī)市場應(yīng)用其中無刷直流電機(jī)以其高效低噪等近年來，我國中小型電機(jī)和微特電

17、機(jī)行業(yè)開展迅速, 特點(diǎn)逐漸取代有刷電機(jī)，成為行業(yè)應(yīng)用的一顆新星。圖2 無刷直流電機(jī)市場占比主流應(yīng)用場景一：工業(yè)設(shè)備用無刷直流電機(jī)工業(yè)應(yīng)用場景對設(shè)備的精度、效率、性能等都有著較高的要求。在一些要求準(zhǔn)確控制速 度和位置的輕工機(jī)械多采用無刷電動(dòng)機(jī)。 如“電機(jī)控制保護(hù)，狀態(tài)監(jiān)測'任務(wù)就是應(yīng)用在工 業(yè)投料機(jī)上。主流應(yīng)用場景二：汽車用無刷直流電機(jī)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(jī)在的高效永磁電機(jī)在汽車中具有很好的應(yīng)用前景。電機(jī)除了可以作為汽車驅(qū)動(dòng)的核心部件外，還可以用在汽車空調(diào)、雨刮器、電動(dòng)車門平安氣囊、電動(dòng)座椅等驅(qū)動(dòng)上。如“帶霍爾傳感器的直流電機(jī)控制即可用在汽車 上的雨刮器驅(qū)動(dòng)。主

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

19、機(jī)通常為異步電機(jī)， 其頻率和功率因 數(shù)較低，采用變頻技術(shù)以后，情況有所改善。 2021 年末，英國戴森公司第一款無葉風(fēng)扇出 世，標(biāo)志著無刷直流電機(jī)由工業(yè)應(yīng)用向智能家電的滲透。如今， 家用吸塵器， 攪拌機(jī)，電吹風(fēng)機(jī)， 攝像機(jī)和電風(fēng)扇等其它電器也在逐步采用無刷 直流電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的的單相異步電機(jī)。無刷直流電機(jī)不僅能克制傳統(tǒng)家用電機(jī)的局部缺點(diǎn)， 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(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)性。 主流應(yīng)用場景五：電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)目前電起動(dòng)摩托車的起動(dòng)電機(jī)和磁電機(jī)是兩臺(tái)各自獨(dú)立的電機(jī)， 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 超越 離合器打滑時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響電動(dòng)車的起動(dòng)特性， 起動(dòng)電機(jī)通過電刷換向， 電刷磨損嚴(yán)重， 需要 經(jīng)常維護(hù)