永磁無刷直流電機(jī)及其控制

夏長(zhǎng)亮 方紅偉

（1．天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387 2．天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 天津 300072）

1 引言

當(dāng)前，節(jié)能減排是我國(guó)經(jīng)濟(jì)與能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路，這將大大助推永磁電機(jī)在我國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用。作為永磁電機(jī)中的重要成員，無刷直流電機(jī)也必將借助我國(guó)是世界上最大的稀土儲(chǔ)藏國(guó)這一先天優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)高效節(jié)能電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建和工業(yè)生產(chǎn)的低碳化做出重要貢獻(xiàn)。

無刷直流電機(jī)是指具有串勵(lì)直流電機(jī)起動(dòng)特性和并勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速特性的梯形波/方波直流電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)由電機(jī)本體、功率驅(qū)動(dòng)電路及位置傳感器三者組成[1]。無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、出力大和效率高等特點(diǎn)。隨著電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、控制理論及傳感器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無刷直流電機(jī)的一般控制技術(shù)已日趨成熟，相關(guān)生產(chǎn)制造工藝和通用技術(shù)也均規(guī)范化，并形成了GJB1983—1984、GB/T21418—2008等一系列標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，其電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)能型驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制、無位置傳感器控制、弱磁調(diào)速等技術(shù)難題均得到了很好的研究和解決[2-9]。目前，無刷直流電機(jī)已在國(guó)防、機(jī)器人、航空航天、軌道交通、精密機(jī)床、汽車電子、家用電器、辦公自動(dòng)化、以及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。

本文首先介紹了無刷直流電機(jī)的基本工作原理，比較了各種驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，然后對(duì)該類電機(jī)尚未完全解決的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制、無位置傳感器控制和弱磁調(diào)速等關(guān)鍵問題進(jìn)行了論述，最后對(duì)該類高效電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

2 無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)

無刷直流電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)其無機(jī)械接觸式換相，取消了電刷，并將電樞繞組和永磁磁鋼分別放在定子和轉(zhuǎn)子側(cè)，成為“倒裝式直流電機(jī)”結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，無刷直流電機(jī)必須具有由轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器等共同構(gòu)成的換相裝置，如圖1所示。

圖1 無刷直流電機(jī)原理框圖Fig.1 Principle diagram of BLDC motor

無刷直流電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通同步電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)相似。對(duì)于常用的三相無刷直流電機(jī)，其電樞繞組可以Y聯(lián)結(jié)或△聯(lián)結(jié)，但考慮到系統(tǒng)的性能和成本，目前應(yīng)用較多的是電樞繞組Y聯(lián)結(jié)、三相對(duì)稱且無中性點(diǎn)引出的電機(jī)。無刷直流電機(jī)的繞組形式主要有整距集中繞組、整距分布式繞組、短距分布式繞組等[5,13]。繞組形式的不同將影響電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形，進(jìn)而影響到電機(jī)的性能。一般來講，整距集中繞組能得到較好的梯形反電動(dòng)勢(shì)波形，短距繞組則有利于削弱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種典型形式：表面粘貼式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。永磁體材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷和釹鐵硼等，一些新的復(fù)合磁性材料也正逐漸被應(yīng)用到無刷直流電機(jī)中來[16]。

無刷直流電機(jī)常用的位置傳感器有電磁式、光電式和磁敏式等。Hall傳感器為磁敏式位置傳感器的一種，其體積小、使用方便且價(jià)格低廉，在無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。特殊的集成電路則可將Hall傳感器等位置信號(hào)直接變成數(shù)字信號(hào)，便于無刷直流電機(jī)控制的數(shù)字化與智能化實(shí)現(xiàn)。

3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 半橋式

常見的三相半橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 半橋式驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Half-bridge driving circuit

三相半橋式驅(qū)動(dòng)方式下的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)元件個(gè)數(shù)少、成本低、控制簡(jiǎn)單，但其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大、電機(jī)繞組利用率低，一個(gè)周期內(nèi)每相繞組只有 1/3周期通電，因而在實(shí)際應(yīng)用中較少采用。

3.2 全橋式

圖3為三相全橋式驅(qū)動(dòng)電路示意圖，其常見導(dǎo)通方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通方式。

圖3 全橋式驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Full-bridge driving circuit

3.2.1 兩兩導(dǎo)通方式

兩兩導(dǎo)通方式指每一時(shí)刻電機(jī)都有兩相導(dǎo)通，第三相懸空，各相的導(dǎo)通順序與時(shí)間由轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定。該方式下，正常工作時(shí)，每一時(shí)刻上下橋臂都分別僅有一只功率器件導(dǎo)通。即使在換相時(shí)刻，也不容易導(dǎo)致同一橋的上、下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。電機(jī)每經(jīng)過一次換相，合成轉(zhuǎn)矩的方向轉(zhuǎn)過60° 電角度，一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩要經(jīng)歷六次方向變換，使得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三相半橋式驅(qū)動(dòng)電路要小而緩。

3.2.2 三三導(dǎo)通方式

三三導(dǎo)通方式指每一瞬間逆變橋均有三只功率器件同時(shí)通電。同兩兩導(dǎo)通方式相比，也是每隔1/6周期（60○電角度）換相一次，其硬件原理亦完全相同。只是功率器件的導(dǎo)通次序和導(dǎo)通時(shí)間不同，此時(shí)每只功率器件在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通180○電角度。

三三導(dǎo)通方式可更進(jìn)一步提高繞組的利用率，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但是三三導(dǎo)通方式在換相時(shí)刻容易導(dǎo)致同一橋的上、下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。

對(duì)于△聯(lián)結(jié)的三相全橋式無刷直流電機(jī)的控制，它和Y聯(lián)結(jié)的區(qū)別甚少，只需將△聯(lián)結(jié)電機(jī)中的A、B相繞組的連接處對(duì)應(yīng)于Y聯(lián)結(jié)電機(jī)中的A，△聯(lián)結(jié)電機(jī)中B、C相繞組的連接處對(duì)應(yīng)于Y聯(lián)結(jié)電機(jī)中的B，△聯(lián)結(jié)電機(jī)中的 C、A相繞組的連接處對(duì)應(yīng)于Y聯(lián)結(jié)電機(jī)中的C，而無需改變?nèi)魏纹渌?、硬件設(shè)計(jì)。

3.3 C-Dump式

在一些特定的無刷直流電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，一方面要實(shí)現(xiàn)較好的控制性能，另一方面又要求系統(tǒng)成本低、安裝尺寸小等。對(duì)此，許多學(xué)者提出了一種介于半橋式控制和全橋式控制間的折衷控制方法，即C-Dump式驅(qū)動(dòng)電路[15]。對(duì)于三相無刷直流電機(jī)，它只需4個(gè)開關(guān)元器件，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。

圖4 C-Dump式驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 C-Dump driving circuit

與全橋式驅(qū)動(dòng)電路相比，C-Dump驅(qū)動(dòng)電路具有較少的功率器件和較小的能量損耗，但增加了 1個(gè)電感和1個(gè)電容，換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也比全橋式大。

3.4 H橋式

H型功率逆變橋如圖5所示，其特點(diǎn)是每個(gè)繞組采用1個(gè)H橋獨(dú)立控制，可靈活改變繞組電流的大小和方向，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限控制[16]。

圖5 H橋式驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 H-bridge driving circuit

因?yàn)楣β势骷?shù)量等于電機(jī)相數(shù)的4倍，所以H型功率逆變橋一般只在單相或兩相電機(jī)控制中使用。同時(shí)，為防止同相上、下橋功率器件同時(shí)導(dǎo)通而造成直通短路現(xiàn)象，須對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行死區(qū)延時(shí)控制，死區(qū)時(shí)間要大于功率器件的關(guān)斷時(shí)間。

3.5 四開關(guān)式

四開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中四開關(guān)三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩個(gè)電容代替六開關(guān)三相逆變橋的一組橋路，電機(jī)C相繞組接在串聯(lián)電容的中點(diǎn)。這樣，電路節(jié)省了兩個(gè)功率器件，一定程度上降低了系統(tǒng)的成本，減小了由器件引起的能量損耗，但會(huì)增加控制的復(fù)雜性[17,18]。

圖6 四開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Four-switch driving circuit

4 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制

根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的不同，無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要分為齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)兩類。相比于永磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，一定程度上制約了它在高精度、高穩(wěn)定性場(chǎng)合的應(yīng)用。為此，許多專家學(xué)者一直致力于無刷直流電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制的研究，并取得了豐碩的成果[19-25]。

4.1 齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制

齒槽轉(zhuǎn)矩是由于定轉(zhuǎn)子齒槽的存在，不同位置磁路的磁阻存在差異，氣隙磁場(chǎng)在空間分布上出現(xiàn)鋸齒形波動(dòng)，進(jìn)而造成電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形產(chǎn)生畸變，引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。減小齒槽轉(zhuǎn)矩是無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需解決的難題之一。采用CAD、CAM等技術(shù)，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化與改進(jìn)，可有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩。目前抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法主要有斜槽/斜極法、磁性槽楔法、減小槽口寬度法、輔助槽/輔助齒法、分?jǐn)?shù)槽法、變極弧寬度和變磁極位置法等[5]。文獻(xiàn)[25]將電機(jī)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化歸結(jié)為多目標(biāo)函數(shù)的非線性規(guī)劃問題，利用模糊小生境遺傳算法對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)得到的電機(jī)具有電磁轉(zhuǎn)矩提升速度快和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小等特點(diǎn)。圖7是對(duì)應(yīng)的具體優(yōu)化流程圖。

4.2 換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制

無刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，一般其導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，決定了電機(jī)穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的大小；換相過程持續(xù)時(shí)間雖較短，但也影響著電機(jī)的性能。換相暫態(tài)過程復(fù)雜，時(shí)間短暫，而且轉(zhuǎn)速和負(fù)載越大，換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越明顯。采用傳統(tǒng)的同時(shí)開通導(dǎo)通相、關(guān)閉關(guān)斷相的換相方法，在很多情況下，無論如何選擇換相時(shí)間，都只能在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而不能達(dá)到理想的效果。

圖7 基于模糊小生境遺傳算法的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程Fig.7 Flowchart of motor design optimization based on fuzzy niche genetic algorithm

4.2.1 分時(shí)換相策略分析

分時(shí)換相策略則分別控制導(dǎo)通相開通和關(guān)斷相斷開的時(shí)間[1]。

（1）完全關(guān)斷后開通的換相方式：先關(guān)閉待關(guān)閉相（t=tcut），待其電流衰減為零（t=toff），被完全斷開后再開通待開通相（t=ton），此時(shí)tcut＜toff＜ton。

（2）先關(guān)閉后開通的換相方式：先關(guān)閉待關(guān)閉相，在其衰減為零前開通待開通相，此時(shí)tcut＜ton＜toff。

（3）先開通再關(guān)閉的換相方式：先開通待開通相，再關(guān)閉待關(guān)閉相，此時(shí)ton＜tcut＜toff。

實(shí)際證明，采取先開通后關(guān)閉的控制策略可抵消反電勢(shì)的影響，減小換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

4.2.2 基于自抗擾控制技術(shù)的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制

結(jié)合模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自抗擾和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)，對(duì)無刷直流電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)進(jìn)行抑制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[19-27]。文獻(xiàn)[27]根據(jù)無刷直流電機(jī)特性及自抗擾控制器（ADRC）設(shè)計(jì)原則，將電機(jī)等效為由兩個(gè)非線性系統(tǒng)構(gòu)成的積分串聯(lián)型對(duì)象，設(shè)計(jì)兩個(gè)一階自抗擾控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的雙閉環(huán)控制，如圖8所示。

圖8 抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的自抗擾控制框圖Fig.8 Scheme of the ADRC to reduce torque ripple

在圖8的自抗擾控制器中，系統(tǒng)的外擾和內(nèi)擾處于同等地位，而擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器能夠快速地跟蹤電磁轉(zhuǎn)矩輸出，并給出轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)作用值。對(duì)于給定的轉(zhuǎn)矩參考值，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)作為系統(tǒng)內(nèi)擾，可由擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)時(shí)估計(jì)，并通過調(diào)整逆變器電壓輸出加以補(bǔ)償，從而保證轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)。

5 無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制

位置傳感器的使用，簡(jiǎn)化了無刷直流電機(jī)的控制復(fù)雜性，但其存在可能增大電機(jī)系統(tǒng)的體積與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、增加系統(tǒng)引線和降低系統(tǒng)可靠性，因此一定程度上也限制了無刷直流電機(jī)在空間有限等場(chǎng)合中的應(yīng)用。為解決此問題，反電動(dòng)勢(shì)法、磁鏈法、電感法及人工智能法等無位置傳感器控制方法被提出并逐漸應(yīng)用到了無刷直流電機(jī)的控制中[28-36]。

5.1 反電動(dòng)勢(shì)法

在各種無位置傳感器控制方法中，反電動(dòng)勢(shì)法是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測(cè)方法。該方法將檢測(cè)獲得的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)延遲30°電角度，得到六個(gè)離散的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。

反電動(dòng)勢(shì)法的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)反電動(dòng)勢(shì)法已進(jìn)行了深入研究，并提出了端電壓檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、反電動(dòng)勢(shì)三次諧波法、續(xù)流二極管法以及線反電動(dòng)勢(shì)法等多種檢測(cè)方式。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意在端電壓檢測(cè)方法中，引入相應(yīng)的相移補(bǔ)償措施，解決因?yàn)V波等環(huán)節(jié)引起的端電壓相位延遲問題。反電動(dòng)勢(shì)積分法中的門限值設(shè)置問題、反電動(dòng)勢(shì)積分法和反電動(dòng)勢(shì)三次諧波法中的積分累計(jì)誤差等問題也都需要重點(diǎn)考慮。

5.2 磁鏈法

不同于反電動(dòng)勢(shì)法，磁鏈法是通過直接估計(jì)磁鏈以獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。由測(cè)量的電壓、電流獲得電機(jī)磁鏈，若轉(zhuǎn)子初始位置、電機(jī)參數(shù)、磁鏈與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系已知，則可由估計(jì)得到的電機(jī)磁鏈判斷出轉(zhuǎn)子位置。

采用磁鏈法控制電機(jī)時(shí)，應(yīng)首先確定轉(zhuǎn)子起動(dòng)初始位置，以獲得積分過程所必需的磁鏈初始值信息。磁鏈法計(jì)算量較大，在低速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差累計(jì)且易受電機(jī)參數(shù)變化影響。

5.3 電感法

電感法的基本原理是：首先在繞組中施加方波電壓脈沖并檢測(cè)其產(chǎn)生的電流幅值，然后比較電流幅值得知電感差異，最后根據(jù)電感與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系判斷轉(zhuǎn)子位置。

電感法對(duì)于電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)效果較好，但由于無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置不同時(shí)電感差異較小，因此該方法依賴于高精度的電流檢測(cè)。

5.4 人工智能法

5.5 無位置傳感器控制下的起動(dòng)方法

目前，無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制多采用反電動(dòng)勢(shì)法，但當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，反電勢(shì)為零或很小而不易檢測(cè)，因而難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自起動(dòng)。針對(duì)該問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種起動(dòng)方法，主要有：三段式起動(dòng)法、預(yù)定位起動(dòng)法、升頻升壓同步起動(dòng)法、高頻信號(hào)注入法、電壓插值起動(dòng)法、智能起動(dòng)法等[35,36]。

6 弱磁調(diào)速

無刷直流電機(jī)在基速以下運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常可通過各種形式的雙閉環(huán)控制策略，并輔以PWM和滯環(huán)控制等技術(shù)，獲取對(duì)系統(tǒng)的良好控制效果[41]。而在基速以上運(yùn)行時(shí)（即弱磁控制狀態(tài)），如電動(dòng)汽車的恒功率運(yùn)行，則需進(jìn)一步采用相電流提前導(dǎo)通、輔助勵(lì)磁、變繞組接線方式等手段來實(shí)現(xiàn)[5,33,42,43]。相電流超前導(dǎo)通方法原理如圖9所示，圖9a給出了相電流超前導(dǎo)通模式下的相電流i和正常導(dǎo)通模式下的相電流i0以及相反電動(dòng)勢(shì)e之間的相位關(guān)系。圖9b為不同α角下電機(jī)在基速以上的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性變化趨勢(shì)圖。

圖9 相電流超前導(dǎo)通原理示意圖Fig.9 Principle for advanced conduction of phase current

實(shí)際應(yīng)用中，由于梯形氣隙磁通分布的斜邊區(qū)域有限，所以電流超前導(dǎo)通方式的調(diào)速范圍擴(kuò)展能力不如電勵(lì)磁直流電機(jī)的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方式。同時(shí)，電流有效值隨負(fù)載變化的情況在高速時(shí)受超前導(dǎo)通角的影響較大，一般超前導(dǎo)通角越大，電流有效值越大。較大的相電流會(huì)產(chǎn)生較大的平均轉(zhuǎn)矩，所以相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速也較高?？紤]到電機(jī)運(yùn)行對(duì)連續(xù)工作電流的限制，超前導(dǎo)通角一般不宜超過30o電角度。

7 無刷直流電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

7.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

7.1.1 汽車用無刷直流電機(jī)

一輛汽車內(nèi)部通常包括幾十到上百臺(tái)電機(jī)，隨著汽車向節(jié)能和環(huán)保方向的快速發(fā)展，無刷直流電機(jī)在汽車中具有很好的應(yīng)用前景。電機(jī)除了可作為汽車驅(qū)動(dòng)的核心部件外，還可用在汽車空調(diào)、雨刮器、電動(dòng)車門、安全氣囊、電動(dòng)座椅等驅(qū)動(dòng)上。同時(shí)，在純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等驅(qū)動(dòng)中，無刷直流電機(jī)也得到了廣泛應(yīng)用。

7.1.2 航空航天用無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)在航空航天中的典型應(yīng)用有機(jī)械臂控制、陀螺儀與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)等，一般要求其具有良好的高速控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，所以相應(yīng)系統(tǒng)均通過閉環(huán)速度反饋進(jìn)行控制，且大多采用先進(jìn)控制算法。部分航空航天用無刷直流電機(jī)，如高速離心泵和高速攝像槍所用電機(jī)的轉(zhuǎn)速能達(dá)到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)，需考慮高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)電機(jī)機(jī)械和電氣性能的特殊要求及其解決方法。另外，航空航天用電源的電壓等級(jí)和頻率大小也與通用電源區(qū)別較大，因此對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制系統(tǒng)還須考慮整流和變頻驅(qū)動(dòng)等電路的特殊性，如冗余、可靠性等問題。

7.1.3 無刷直流電機(jī)在家用電器中的應(yīng)用

近年來，家用電器電子驅(qū)動(dòng)電機(jī)以每年約30%的增幅發(fā)展，家用電器正朝著節(jié)能、低噪聲、智能化和高可靠性方向發(fā)展。

“家庭農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)民合作社等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體獲得財(cái)政資金后，需向貧困戶發(fā)放股權(quán)證?！笔h財(cái)政局田晟副局長(zhǎng)說，“根據(jù)《實(shí)施方案》，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體、農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)組織和貧困戶的持股比例，分別占財(cái)政補(bǔ)助資金的50%、10%、40%，項(xiàng)目存續(xù)期為5年。在這期間，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體需每年按持股金額的8%給貧困戶實(shí)行固定分紅，同時(shí)應(yīng)根據(jù)財(cái)政補(bǔ)助資金產(chǎn)生效益的40%，向農(nóng)村集體經(jīng)濟(jì)組織和貧困戶實(shí)行效益分紅。若農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體因財(cái)務(wù)制度不健全等原因?qū)е履杲K效益無法核實(shí)的，也應(yīng)按不低于持股金額的4%進(jìn)行效益分紅。

變頻空調(diào)的興起使得無刷直流電機(jī)在空調(diào)驅(qū)動(dòng)中的市場(chǎng)份額正逐步提高。為了節(jié)約成本和提高變頻空調(diào)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，空調(diào)壓縮機(jī)中宜采用無位置傳感器控制方式，實(shí)際證明采用無位置傳感器控制后，不但系統(tǒng)體積得到減小，而且系統(tǒng)效率也得到了提高。

盤式無刷直流電機(jī)（單定子或雙定子結(jié)構(gòu)）在VCD、DVD等家用電器的主軸驅(qū)動(dòng)中也應(yīng)用廣泛。

電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)大多采用多極、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其技術(shù)更是成熟。納米技術(shù)的使用，將進(jìn)一步促進(jìn)電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)的發(fā)展，從效率、舒適度和穩(wěn)定性等各方面提高電動(dòng)自行車的整體性能。

同時(shí)，吸塵器、攪拌機(jī)、電吹風(fēng)機(jī)、攝像機(jī)和家用電風(fēng)扇等其他家用電器也正在逐步采用無刷直流電機(jī)代替先前使用較多的直流電機(jī)、單相異步電機(jī)和變壓變頻（VVVF）驅(qū)動(dòng)式異步電機(jī)。

7.1.4 無刷直流電機(jī)在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公自動(dòng)化設(shè)備用電機(jī)，絕大部分為先進(jìn)制造技術(shù)和新興微電子技術(shù)相結(jié)合的高檔精密電機(jī)，是技術(shù)密集化產(chǎn)品。在硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器和軟盤驅(qū)動(dòng)器用的主軸電機(jī)，以及數(shù)碼相機(jī)、激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、錄音機(jī)、LD影碟機(jī)和碎紙機(jī)等辦公設(shè)備的驅(qū)動(dòng)中，無刷直流電機(jī)已有很好的應(yīng)用。

7.1.5 無刷直流電機(jī)在其他工業(yè)上的應(yīng)用

目前，在民用和軍用的機(jī)器人和機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中，無刷直流電機(jī)所占比例較大。大功率的無刷直流電機(jī)在低速、環(huán)境惡劣和有一定調(diào)速性能要求的場(chǎng)合也有著很好的應(yīng)用前景，如無齒輪曳引機(jī)電梯驅(qū)動(dòng)、抽水蓄能、鋼廠軋機(jī)傳動(dòng)等，具有調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、跟蹤誤差小、靜差率小和調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)。除以上所涉及的應(yīng)用場(chǎng)合，已經(jīng)實(shí)用化的無刷直流電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域還包括醫(yī)療器械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械和數(shù)控機(jī)床等行業(yè)。

7.2 發(fā)展趨勢(shì)

7.2.1 小型化與集成化

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展將使電機(jī)控制系統(tǒng)朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展，可使無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單而可靠?？刂破髋c電機(jī)二者融為一體，使無刷直流電機(jī)與電子技術(shù)結(jié)合得更緊密，產(chǎn)品的附加值更高，整個(gè)控制系統(tǒng)也將朝低成本、小型化、集成化方向發(fā)展。

7.2.2 控制器全數(shù)字化

高速微處理器及高密度可編程邏輯器件的出現(xiàn)，為電機(jī)控制性能的提高提供了可靠的保證。采用單片機(jī)或 DSP等芯片來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的智能控制、間接位置檢測(cè)，并替代傳統(tǒng)的PID模擬電路、信號(hào)處理電路和邏輯判斷電路等，實(shí)現(xiàn)控制器的接口通用化和數(shù)字化是今后的發(fā)展趨勢(shì)之一，這將進(jìn)一步減少系統(tǒng)硬件電路的體積、提高系統(tǒng)的可靠性和效率。

7.2.3 綠色PWM控制及其高效化

低噪聲和高效率是電機(jī)控制系統(tǒng)追求的兩大目標(biāo)。為了利于人的身體健康，無刷直流電機(jī)宜使控制的開關(guān)頻率達(dá)幾十kHz以上，從而改善電磁噪聲和電流波形。同時(shí)，利用新型功率變換器、軟開關(guān)控制等來降低開關(guān)損耗及其對(duì)電源的污染率、增加開關(guān)壽命、并保證系統(tǒng)效率不變或提高的前提下，提高驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綠色PWM控制[21,44]。而在器件開關(guān)頻率受限條件下，則采用新的調(diào)制模式也是未來研究的方向之一。

7.2.4 結(jié)構(gòu)新型化

目前，市場(chǎng)上已涌現(xiàn)出多種新型無刷直流電機(jī)：無槽式與無鐵心式電機(jī)、軸向磁場(chǎng)盤式電機(jī)、無刷直流力矩電機(jī)、無刷直流直線電機(jī)、無刷直流有限轉(zhuǎn)角電機(jī)、低慣量無刷直流電機(jī)、無刷直流平面電機(jī)和無刷直流球形電機(jī)等[45-48]。隨著新型導(dǎo)電、導(dǎo)磁和絕緣材料的出現(xiàn)，從本體上對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高無刷直流電機(jī)的性能，將是今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。同時(shí)，與材料科學(xué)密不可分的粘結(jié)永磁、永磁材料定向和充磁等加工技術(shù)也亟需發(fā)展。

7.2.5 控制先進(jìn)化

無刷直流電機(jī)性能的改善可以通過電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)及電力電子裝置的控制來實(shí)現(xiàn)，也可利用各種先進(jìn)的控制策略來完成。無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)是典型的非線性、多變量耦合系統(tǒng)，基于現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的非線性控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制等多種先進(jìn)控制策略在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用將進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的性能。特別地，在單片機(jī)或DSP處理速度一定的情況下，應(yīng)著力于各種控制算法的實(shí)用化研究，從而全面推進(jìn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)朝小型化、數(shù)字化、智能化和高效節(jié)能的方向發(fā)展。

8 結(jié)論

本文對(duì)無刷直流電機(jī)控制中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，剖析了該電機(jī)在設(shè)計(jì)與控制中存在的若干問題。對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，寬速度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的無位置傳感器控制方式的標(biāo)準(zhǔn)化、電機(jī)控制器的智能化及其與電機(jī)本體的一體化設(shè)計(jì)、低成本節(jié)能型驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)等將是未來研究的重點(diǎn)。同時(shí)，無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、弱磁控制的擴(kuò)速能力、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的抑制等仍是需要繼續(xù)深入研究的內(nèi)容。另外，如何采用新型的永磁材料代替稀土永磁，既設(shè)計(jì)出高效率的永磁無刷直流電機(jī)，又降低其對(duì)稀土永磁材料的依賴將是今后急需解決的重要課題。所有這些問題的解決，將進(jìn)一步推進(jìn)無刷直流電機(jī)在汽車、艦船、家用電器等行業(yè)以及國(guó)防和航空航天領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對(duì)我國(guó)節(jié)能降耗戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

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