下面是小编为大家整理的摘要,供大家参考。
第一章 绪论
1.1 引言
按照电刷的角度，直流电动机可以分为有刷直流电机和无刷直流电机。直流电动机有调速性能优越、起动性能好、运行效率高等优点，因此被较多的应用于工业生产与人们的日常生活中。但是传统的直流电动机都采用电刷，通过机械方法进行换向，因此存在较大的机械摩擦，从而带来了噪声污染、火花较多、无线电干扰以及使用寿命较短等弱点，再加上直流电动机制造成本高及后期保养维修比较困难等缺点，因而大大减小了它的使用范围 i 。电动机的类型主要分为交流电动机与直流电动机两种。但传统的直流电动机由于电刷以机械方法进行换相，引入了许多固有的电机运行时的弱点，由此极大的限制了其应用范围。针对直流电机的一些固有的缺陷目前在工农业的生产过程中，许多场合都采用交流电动机取代了以前的直流电机。交流同步电机具有良好的运行性能，但其启动性能差；交流感应电机具有结构简单、运行可靠的特点，但其调速性能差 ii 。人们在寻求一种更加实用的电机。随着电力电子的发展与永磁材料的逐步应用，无刷直流电机应运而生。无刷直流电机主要是改变了传统有刷直流电机的电刷控制结构，采用了电力电子元件进行换相，减少了由于电刷引起的不良效果。同时也实现了电机的调速。无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率、优良的调速性能等诸多优越性 iii 。表 1-1 从 9 个方面的特性对交流异步电机、有刷直流电机和无刷直 流 电 机 作 了 比 较 。
无刷直流电机的优越性促使它拥有有更大的应用领域，伴随着科技的发展和人们对电机性能 要求的逐渐提高，对无刷直流电机的研究已经成为了国内外重点的研究课题。
1.2 无刷直流电机在国内外的发展与现状
关于无刷直流电机的发展历史，我们可以追溯到 1917 年，Boliger 提出了放弃有刷直流电动机的机械电刷而用整流管代替的理念，进而永磁无刷直流电机的基本思想随之诞生。到二十世纪 30 年代，开始研制用电子换向替代电刷机械换向的直流无刷电动机，并且取得了一定成果。不过因为当时大功率电子器件的使用仅处于萌芽阶段，使得这种直流无刷电动机仅仅只能在实验室研制阶段停留，而没有办法被广泛的推广使用。到了 1955 年，美国 D·哈利森等人首次申报了把电动机机械换向器换向通过应用晶体管换向而取代的专利。但因为该电动机尚且没有起动转矩而不能批量生产化。随即又经过人们长达多年的努力，终于在 1962 年，通过借助霍尔元件来实现换相的直流无刷电动机问世 iv 。1978 年原联邦德国 Malinesmalm 公司 hidrarnat 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC 经典永磁无刷直流
电动机及其驱动系统，无刷直流电动机这才真正进入实用阶段 v 。
而我国对无刷直流电机的研究是在上世纪 80 年代开始的。1987 年，联邦德国金属加工设备展览会在北京举办，SIEMENS 和 BOSCH 两公司展示出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内广泛专业人士的注意 vi 。经过有关学者多年的努力，目前我国已经研究出小功率无刷直流电动机等系列产品，并已经形成了一定的生产规模。比如上海交大研制的卫星上专用的永磁无刷直流电机，西安微电机研究所研制的 45ZW-1、SSZW-1、70ZW-1 系列产品等，但在大功率的无刷直流电动机的研究方面，我国的发展还不够快，与国际相比还有比较大的距离，有待进一步的研究与开发。
1.3 无刷直流电机的控制方式
从无刷直流电机的控制特点与结构来看，它已经不是单纯意义上的电机了。无刷直流电机的控制器现在已经成为不可分割的一部分，无刷直流电机应该成为一个独立的控制系统。由于采用了电子换相，无刷直流电机的控制方式更为灵活。无刷直流电机的控制方式主要有两种：有传感器直流无刷电机控制与无传感器无刷直流控制。目前，在一些对电机尺寸要求较高的研究领域，无传感器的无刷直流电机的控制方法越来越受到关注。下面将主要讲解几种常见的无刷直流电机的控制方法。
1.3.1 调速控制
在一般的应用场合，无刷直流电机主要采用调速控制。电机控制常见的调速方法：通过给定转速与电机的转速反馈两直接的偏差，从而经 PI 调节后得到电流的参考值，得出实际的电流反馈量与该电流参考值之间的偏差调节后为控制器提供 PWM 占空比的控制量，来实现电动机的速度控制 vii 。目前无刷直流电机的主要应用中，电动自行车上的控制器一般采用的是单片机或无刷直流电机的专用控制芯片，但在一些要求调速精度高、速度快的场合也有很多采用 DSP 实现电机的控制。无刷直流电机的调速控制框图如图 1-1 所示。
1.3.2 无位置传感器控制
无位置传感器的控制是有关人士研究的一个热点，因为没有了位置传感器，所以电机的结构更加简单，当然，电机的重量体积都会相应的降低。目前应用比较广泛的无位置传感器电机的反馈信号主要是通过感应电动势的过零点来测量，称之为反电动势检测法。该方法是目前较为成熟的一种检测方法。因为它比较容易实验，已经被应用于许多领域。其检测方法是:无刷直流电机在忽略电枢反应的前提下，稳态运行时通过检测电机未导通相的反电势过零点以获得转子位置信号，从而控制电流的切换，实现电机的正常运行 viii 。但是电机处于静止状态或低速运行时，此时绕组反电动势为零或极小，无法利用反电势法进行检测，故采用反电势法进行转子位置检测时，须用其他方式解决电机的起动问题。无位置传感器法虽然使得无刷 直流电机控制系统的体积、信号线及制造工艺等方面得到了一定的下降，但是由于附加了新的控制算法、对于换相点的确定及估算精度和运行的平稳性等很多方面还有待进一步研究。
目前，无位置传感器无刷直流电机的位置检测方法除了反电动势法外，还有续流二极管检测法 ix 、电感检测法 x 、定子三次谐波法 xixii 、卡尔曼滤波法 xiii 、基于状态观测器的估算方法 xiv 等，伴随着人工智能的不断改革，有许多学士尝试通过人工智能的检测方法来实现无刷直流电机的位置检测。然而由于各种检测方法还存在着许多不足，每种方法都有其优点同时也有其不足之处，因此对无位置传感器无刷直流电机的控制的研究还有一段旅程要走。
1.3.3 新型的控制策略
目前在许多文献中关于对无刷直流电机控制的研究还有较多新的控制思路，在这些控制思路中将较为先进的控制算法融入到整个无刷直流电机控制的系统中。目前较为先进的控制策略有直接转矩控制无刷直流电机 xv ，加入了模糊控制理论的直接转矩控制 xvi ，此外在很多文献中，还将自适应理论、混沌理论等也被应用到无刷直流电机的控制中了，还有应用先进的 PID 控制方法实现无刷直流电机的控制的。总而言之，无刷直流电机以其突出的结构特性和电机运行中独有的数字控制方式，在控制方法多样化与广泛的应用方面，提供了一个可以扩展的平台。
1.4 无刷直流电机的应用领域
无刷直流电机凭借其寿命长、噪声小、可控性高、便于维护、高效率等优点，被广泛的应用于航空航天、工业化生产以及日常生活等各个领域。
1)在现代航空航天中。
许多新产品都采用了无刷直流电动机。比如，由于应用环境的局限性，在航空航天领域，优先考虑可控性高、体积小的动力系统。无刷直流电机在航空航天用磁悬浮飞轮系统、陀螺仪中得到了较好的应用 xvii 。还被用于飞机的自动驾驶、太空飞船舱内各种电动机。
2）工业化生产领域
在数控机床、印刷纺织、机械制造等领域,无刷直流电机被广泛的运用。由于无刷直流电机具有效率高、定位精准等优点，便于提高了生产效率；目前在自动化生产线的驱动系统中，无刷直流电机也被广泛的应用。由于其性能优异，正逐步代替传统的直流伺服电机和步进电机。
3）日常生活
在紧张繁忙的办公室里，我们处处能发现无刷直流电机的身影。如打印机、录音机、LD 影碟机和办公用粉碎机等办公设备都广泛使用无刷直流电机。在计算机的硬盘驱动器、光盘驱动器的电机采用的也都是是无刷直流电机。伴随着对家用电器性能要求的提高，很多家电也都使用了无刷直流电机。如空调、冰箱、跑步机、油烟机、摄像机、照相机等等。无刷直流电机也广泛应用于电动汽车领域，如汽车空调、电动座椅、安全气囊等汽车车载设备中。
由此可见，无刷直流电机正逐步改变我们的生活。它的应用范围逐渐扩大，因此对无刷直流电机的深入研究具有着很强的实践理论意义。
第二章 无刷直流电机的工作原理与数学模型
2.1 无刷直流电机系统组成
从对电机广义的定义上来说，无刷直流电机的组成主要有电机的本体、位置传感器、逆变器等。因为无刷直流电机减少了电刷，省略了换相机构，无刷直流电机是由外部电子电路实现的控制器来完成换相的。而输入量与反馈量是数字电子电路来实现无刷直流电机的换相主要成分。而然数字电路的输出信号比较弱，需要凭借驱动电路将电子电路的输出信号放大来驱动逆变电路从而实现电机的换相。与此同时，也可以通过软件来完成电机的速度调节。由此可见，无刷直流电机系统中尤为关键的一部分就是控制器。无刷直流电机系统的组成如图
2-1 所 示
2.2 无刷直流电机的控制原理
无刷直流电机的转子是永磁体，通过电枢绕组产生的电枢磁场是定子。由于电枢绕组的通断状态是有限的，因此产生的磁场是跳跃的。在跳跃的定子磁场的吸引下，转子磁场与定转子的磁场运行基本同步。如果定子磁场的运行超前转子磁场 90°的电角度，那么定子将带动转子运动，从而产生正的电磁转矩，电机正转。相反，如果定子磁场的运行滞后转子磁场 90°的电角度，就会产生负的电磁转矩，电机则反转。由此可见要想使电机能够同步运行并且产生稳定的电磁转矩，那么就必须保持定子磁场与转子磁场在空间上的绝对静止。根据定子绕组，我们可以将无刷直流电机分为单相、两相、三相、四相等。
下面以三相星形接法的无刷直流电机为例介绍其原理。
当电机运转时，定子三相电枢绕组感生转子磁极成梯形波的反电动势。功率逆变器为 120°导通型半桥逆变电路。驱动电压是矩形波，电枢电流是梯形波；在电机运行过程中，只有两相通电；在 360°电角度的气隙范围内电枢绕组有 6 次换向，每个开关管导通 60°电角度；反电动势与相电流同相位。无刷直流电机系统原理图如图 2-2 所示
电机通过位置传感器将转子的位置信号送给控制器。无刷直流电机的控制系统中是由控制器根据输入与反馈量获得 PWM 信号给驱动电路，再由驱动电路来驱动桥式逆变器。无刷直流电机的控制器根据位置信号计算相应的 PWM 脉宽，输出 6 路 PWM 脉冲给执行机构，执行机构驱动电机运行。对于三相六状态的无刷直流电机逆变器的导通时序为：任一时刻只能有两个 IGBT 开关管处于导通状态，同时这两个导通的开关管不能在同一桥臂上，每个开关管导通 120°，60°换相一次。开关管导通的逻辑为 VT1、VT6— VT1、VT2—VT3、VT2—VT3、VT4—VT5、VT4—VT5、VT6—VT1、VT6 图（2-3）为逆变器 6 个 IGBT 开关管的时序图。
在图 2-4（a）所示位置时，电机转子位置传感器将转子位置信号传给控制器，控制器根据转子位子驱动逆变器 VT1、VT6 导通，则电机绕组 A、B 两相通电。电流从电源正极流过 A 相，再从 B 相流出。A 相位正电压，B 相为负电压。定子 A、B 两相绕组的感生的合成磁场方向为 Fa 所示方向且保持位置静止。转子永磁体磁场方向为 Fr 在定子磁场的吸引下沿顺时针方向旋转。当转子位置旋转到图 2-4（b）所示位置时，控制器根据转子此
时的位置信号控制逆变器的 VT1、VT2 导通，则定子绕组的 A、C 两相导通，A 相仍为正电压，C 相位负电压，B 相不导通。定子电枢绕组在空间上产生的磁场方向如图 2-4（b）所 示 。
图 2-4(c)与图 2-4(d)为根据转子每转过 60°电角度后开关管的 VT3、VT2
，VT3、VT4 的导通情况。转子每转过 60°电角度，电枢绕组就进行一次换流，由此定子磁场的磁状态就进行一次跳变。开关管的导通时序如图（2-3）所示。在 360°电角度的气隙范围内电枢绕组有 6 次换向，每个开关管导通 60°电角度；每种状态有两相导通，有六种状态，因此称无刷直流电机的这种工作方式为两两导通三相 6 状态导通方式。经过 6 次换相，转子位置转过 360°，之后无刷直流电机又开始重复该过程。电机反转的与此类似。
由于电枢绕组电流的跳变使得定子磁势是跳变的，但是转子磁势是连续变化的，这两个磁势的平均速度相等，具有恒定的平均电磁转矩从而定转子保持同步运行，但是瞬时电磁转矩与速度是不相等的，因此存在转矩脉动分量。
2.3 无刷直流电机的数学模型
无刷直流电动机的模型是定子三相完全对称。根据电机设计的惯例，我们首先假定：
（1）
电机的气隙磁感应强度呈梯形波的分布；
（2）
电机气隙磁导均匀分布； （3）
电机的磁滞与涡流损耗忽略不计；
（4）
定子绕组的电枢反应忽略不计。
2.3.1 绕组电压方程
无刷直流电机的定子绕组轴线在空间上互差 120°电角度。三相完全对称则每相的 绕组电阻、自感、互感等参数相等，定子绕组为星形连接结构，依据图 2-2 的正方向规 定与 2.2 小节中对工作原理的分析得到其中 AB 相的导通电路等效图如图 2-5 所示。
根 据 等 效 电 路 图 可 得 A 相 得 等 效 数 学 模 型 式 如 （ 2-1 ）
所 示
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⎪无刷直流电机的等效电路图为图 2-6，VT1~VT6,VD1~VD6 分别为功率开关管 (MOSFET)...
