永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

摘要：隨著我國(guó)對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的加大投入，對(duì)耗能企業(yè)節(jié)能減排的號(hào)召，永磁無(wú)刷直流電機(jī)憑借其快速、可控、可靠、質(zhì)輕體積小、節(jié)能、效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)勢(shì)成為能源產(chǎn)業(yè)最為關(guān)鍵的一環(huán)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，并且發(fā)展前景良好，發(fā)展空間大。基于上述原因增加對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)力度和投入勢(shì)在必行，并且這一研究成果的出現(xiàn)將帶來(lái)不可估量的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)從永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究背景、研究意義、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等不同的技術(shù)層面進(jìn)行分析，對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)行了深入探究。

關(guān)鍵詞：永磁無(wú)刷直流電機(jī);控制系統(tǒng);軟硬件設(shè)計(jì)

0 ?引言

隨著人類工業(yè)社會(huì)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)是21世紀(jì)各個(gè)國(guó)家所面臨的重大危機(jī)，也是要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所必須解決的難題。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展歷史可以追溯到上世紀(jì)四十年代，直到八十年代初期，在釹鐵硼稀土這一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生產(chǎn)力迅速提升，制造投入減小的影響，永磁無(wú)刷直流電機(jī)行業(yè)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展。

近三十年來(lái)，隨著科學(xué)研究的深入，永磁體性能得到了躍進(jìn)式的提升，相應(yīng)的電力電子器件的完善和蓬勃發(fā)展也促進(jìn)了這一行業(yè)的迅猛發(fā)展。永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究方向與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、電機(jī)集成技術(shù)和微機(jī)技術(shù)等學(xué)科密切相關(guān)，相輔相成?？茖W(xué)家們通過(guò)對(duì)其研究背景、研究意義、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、數(shù)學(xué)模型、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面的深入研究，使得永磁無(wú)刷直流電機(jī)在擁有良好調(diào)速性能的情況下，機(jī)械換向和電刷等歷史研究中出現(xiàn)的難點(diǎn)獲得了解決，目前永磁無(wú)刷直流電機(jī)的用途遍布各行各業(yè)，小到家用電器，大到航空航天，都有永磁無(wú)刷直流電機(jī)的身影，發(fā)展前景不可估量。

1 ?研究背景與意義

從上世紀(jì)四十年代至今，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展在實(shí)際應(yīng)用上與永磁材料的突破性研究，生產(chǎn)力迅速提升，制造投入減小，電力電子器件的迅猛發(fā)展息息相關(guān)，在理論研究上與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、電機(jī)集成技術(shù)和微機(jī)技術(shù)等學(xué)科的深入研究息息相關(guān)。由于其所具有的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高速度、高性能、微型化和數(shù)字化等特點(diǎn)決定了該行業(yè)寬廣的發(fā)展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。目前永磁無(wú)刷直流電機(jī)在各行各業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用，小到家用電器，大到航空航天，都有永磁無(wú)刷直流電機(jī)的身影。

基于上述原因，對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的、科學(xué)的、系統(tǒng)的研究探索是非常重要且必要的，這是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和機(jī)電一體化所提出來(lái)的必須進(jìn)行的挑戰(zhàn)，這一研究具有深遠(yuǎn)的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并且會(huì)給整個(gè)社會(huì)和相關(guān)行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 ?永磁無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)在市場(chǎng)上流通最為廣泛，應(yīng)用最為全面的類型主要是以下兩種：方波電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，也就是無(wú)刷直流電機(jī);正弦波電流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，也就是永磁同步電機(jī)。本文主要進(jìn)行探索的是以方波驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，也就是無(wú)刷直流電機(jī)。

2.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

研究永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的第一步是要了解永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，它的器件構(gòu)成主要包含電機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路。永磁無(wú)刷直流電機(jī)主要是放定子繞組的定子和嵌入永磁磁體的轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。

2.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的安放方式進(jìn)行分類分為埋入式永磁體、表面貼裝式永磁體、內(nèi)置式永磁體三種。表面貼裝式永磁體結(jié)構(gòu)最為常用，內(nèi)置式永磁體結(jié)構(gòu)適用于電機(jī)的弱磁控制，但是漏磁現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

2.1.2 定子結(jié)構(gòu)

定子結(jié)構(gòu)的主要功能是形成良好的磁路，便于多相繞組的安放。定子結(jié)構(gòu)包括定子鐵芯和定子繞組兩部分，可以分為以下三大類：分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)、無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)和整數(shù)槽結(jié)構(gòu)。分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)的定子擁有繞組端部體積小，繞組利用靈高，但是永磁體的利用率相對(duì)較低。無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)的定子無(wú)法有效釋放繞組內(nèi)部熱量，導(dǎo)致溫度高，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上導(dǎo)致需要使用更厚的永磁體，成本投入

過(guò)高。

2.2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

研究有刷直流電機(jī)的工作原理是探索永磁式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)，首先需要了解有刷直流電機(jī)的定子永磁體作用是形成磁場(chǎng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)用以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)期間，換向器進(jìn)行換向，這樣才可以保持繞組在磁場(chǎng)中受到方向的一致的力。而永磁式無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理則是在有刷直流電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深入發(fā)掘和優(yōu)化，轉(zhuǎn)子繞組被永磁體替換，當(dāng)由永磁體組成的轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)期間，便可以形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。而電子換向器作用于定子繞組，使磁場(chǎng)跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步令轉(zhuǎn)子受到大小和方向一致的力。

3 ?控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

在選擇控制策略時(shí)要考慮到電機(jī)本體和負(fù)載的慣性導(dǎo)致的系統(tǒng)延遲問(wèn)題，轉(zhuǎn)子電樞反應(yīng)問(wèn)題，磁路飽和現(xiàn)象，無(wú)刷直流電機(jī)的強(qiáng)非線性問(wèn)題以及受到多變量影響的的強(qiáng)干擾問(wèn)題等。在控制策略中被控量有速度和轉(zhuǎn)矩。目前行業(yè)內(nèi)受到認(rèn)可，應(yīng)用廣泛并且控制效果良好的控制理論有以下理論：經(jīng)典控制理論、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等。

3.1 硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)要求首先應(yīng)該實(shí)現(xiàn)所有電氣信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，其次要有過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，最后應(yīng)該考慮電機(jī)系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性，提高系統(tǒng)抗電磁干擾能力。為應(yīng)對(duì)這一系列要求所提出的挑戰(zhàn)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的軟硬件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通常如下：

永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括主電路和控制電路兩大部分。硬件系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)又分為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的控制電路包括有主控芯片及其外圍電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路、霍爾位置和無(wú)傳感器檢測(cè)電路、電壓電流采樣電路、電源電路。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行離不開(kāi)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的緊密配合，二者相輔相成。硬件電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，相當(dāng)于控制系統(tǒng)的身體，而軟件系統(tǒng)用于控制硬件系統(tǒng)工作，相當(dāng)于控制系統(tǒng)的大腦，二者缺一不可。軟件系統(tǒng)的主程序包括以下幾個(gè)模塊：各系統(tǒng)的初始化，判斷各系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)（對(duì)狀態(tài)的標(biāo)志位置進(jìn)行掃描識(shí)別和判斷），通訊功能模塊和中斷循環(huán)模塊。

3.3 在新能源汽車中的應(yīng)用

新能源汽車的快速發(fā)展將是目前緩解資源緊張和環(huán)境污染問(wèn)題的最為有效的辦法。與普通燃油汽車相比較，新能源汽車能夠極大的減少化石燃料的消耗，進(jìn)一步降低目前人類所面臨的能源壓力，緩解電力系統(tǒng)的負(fù)荷。永磁無(wú)刷直流電機(jī)憑借其優(yōu)轉(zhuǎn)矩良、轉(zhuǎn)速特性良好的特點(diǎn)，可以更好的滿足新能源汽車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要的高性能控制指標(biāo)這一要求。

新能源汽車的核心部件便是驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器，因?yàn)橹挥袚碛袃?yōu)良的控制策略才會(huì)有優(yōu)良的控制性和舒適度。永磁無(wú)刷直流電機(jī)憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組成，優(yōu)良的轉(zhuǎn)速控制特性成為新能源汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的首選?，F(xiàn)階段新能源汽車按照驅(qū)動(dòng)方式不同可以分為三大類，分別是純電驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、燃料電池驅(qū)動(dòng)。在新能源汽車的研發(fā)和制造過(guò)程中，動(dòng)力系統(tǒng)是新能源汽車整車開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容，動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)、電池、電控三大系統(tǒng)構(gòu)成，而電機(jī)系統(tǒng)在其中是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。也就意味著由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能是否優(yōu)異這將直接決定新能源汽車的性能。

首先，永磁無(wú)刷直流電機(jī)從能量損耗上看，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒(méi)有勵(lì)磁損耗;從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，它也沒(méi)有換向器和電刷等機(jī)械換向結(jié)構(gòu)，不易發(fā)生故障;它具有能量密度大，運(yùn)行效率高、可靠性好、輸出扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此永磁無(wú)刷直流電機(jī)受到國(guó)內(nèi)外新能源汽車領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其次，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式這是直接影響新能源汽車整體性能的關(guān)鍵因素，因此，永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)研究有著極為重要的研究?jī)r(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，在新能源汽車行業(yè)內(nèi)，基于數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯門(mén)器件的無(wú)刷直流控制器使用場(chǎng)合有限，因?yàn)樗壳按嬖诘某杀景嘿F、電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能擴(kuò)展性差等問(wèn)題無(wú)法得到解決和改善。而使用控制芯片作為永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器的核心，與硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法配合使用的方式，憑借其低的功率消耗、實(shí)時(shí)反饋性能良好、處理速度快、接口多、功能豐富多樣化的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用，用來(lái)實(shí)現(xiàn)新能源汽車性能的提升。實(shí)時(shí)通信、實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前電機(jī)工作狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定等特點(diǎn)極大的提升和改善了新能源汽車的行駛穩(wěn)定性及安全性，在新能源汽車研發(fā)和改進(jìn)上起到至關(guān)重要的作用，永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)在新能源汽車行業(yè)的廣泛推行將是大勢(shì)所趨，也是新能源汽車行業(yè)中調(diào)速控制系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。

4 ?結(jié)語(yǔ)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)和傳統(tǒng)的直流電機(jī)，交流電機(jī)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)不僅僅兼具直流電機(jī)和交流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)與長(zhǎng)處，又彌補(bǔ)和填充了傳統(tǒng)電機(jī)的不足與缺陷。隨著科技不斷進(jìn)步，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷研究與發(fā)展，稀土永磁材料的研發(fā)，技術(shù)生產(chǎn)力的飛速提升以及相關(guān)學(xué)科前沿的重大突破與成果的出現(xiàn)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍會(huì)更加廣闊，發(fā)展前景不可限量，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也是無(wú)法估量的。除了傳統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)外，電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)這一新型發(fā)展領(lǐng)域，永磁無(wú)刷直流電機(jī)將憑借運(yùn)行效率髙、調(diào)速范圍寬、功率密度大和輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)勢(shì)占據(jù)一席之地。

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作者簡(jiǎn)介：鄧安彤（1991-），女，滿族，河北承德人，碩士研究生，畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。