無(wú)刷直流電機(jī)研究進(jìn)展與趨勢(shì)分析*

荊建立 朱永慶

(蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 安徽蚌埠 233030)

1962年，TG威爾遜和PH特里克使用電子換向器取代直流電機(jī)的機(jī)械換向器，由此發(fā)明了無(wú)刷直流電機(jī)。作為電機(jī)家族中的重要新興成員，無(wú)刷直流電機(jī)以能效高、可靠性高、體積小、轉(zhuǎn)矩大和可控性好等顯著優(yōu)勢(shì)，自1990年開始逐漸廣泛應(yīng)用于以空調(diào)、洗衣機(jī)和冰箱為中心的家用電器和以電動(dòng)汽車為代表的交通工具，交流感應(yīng)電機(jī)在家用電器和工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中的主導(dǎo)地位受到挑戰(zhàn)[1-2]。由于直流電機(jī)的換向器和電刷的顯著缺陷，在航空航天、軍事裝備、醫(yī)療設(shè)備、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，無(wú)刷直流電機(jī)也正逐步取代直流電機(jī)。隨著應(yīng)用的日益普及，無(wú)刷直流電機(jī)的研究熱度也隨之持續(xù)上升。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是通過(guò)定量分析方法發(fā)現(xiàn)科學(xué)活動(dòng)內(nèi)在規(guī)律和特征的一門學(xué)科，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、可視化技術(shù)的迅猛發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)越來(lái)越多地用可視化圖譜形象展示知識(shí)領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r及其規(guī)律[3]。文章主要采用VOSviewer、CiteSpace和CRExplorer等軟件對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域的文獻(xiàn)展開綜合計(jì)量分析，其中VOSviewer在科學(xué)文本挖掘和可視化領(lǐng)域享有國(guó)際聲譽(yù)[4]，CiteSpace具有強(qiáng)大引文分析功能[5]，CRExplorer通過(guò)勾勒參考文獻(xiàn)時(shí)間譜，從而有效識(shí)別出領(lǐng)域內(nèi)具有重要作用的經(jīng)典文獻(xiàn)。

Web of Science是基于互聯(lián)網(wǎng)建立的動(dòng)態(tài)的學(xué)術(shù)信息資源整合平臺(tái)[6]，是最常被用于計(jì)量分析的國(guó)際數(shù)據(jù)源。其核心合集由7個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，其中SCIE(SCI expanded，科學(xué)引文索引網(wǎng)絡(luò)版)收錄了國(guó)際自然科學(xué)、工程技術(shù)領(lǐng)域最具影響力的9000余種重要期刊，所收錄文獻(xiàn)具有重要的參考和借鑒價(jià)值。

文章以SCIE為數(shù)據(jù)源，檢索題名、作者關(guān)鍵詞或數(shù)據(jù)庫(kù)附加關(guān)鍵詞中包含無(wú)刷直流電機(jī)全拼

((((Brush-less NEAR/1 DC)OR

(Brushless NEAR/1 DC)OR

(no-Brush NEAR/1 DC)OR

(non-Brush NEAR/1 DC)OR

("Brushless direct current")OR

("Brush-less direct current")OR

("no-Brush direct current")OR

("non-Brush direct current"))same

(drive* OR motor* OR machine*)))或簡(jiǎn)稱

(bldcm or bldc or pmbldc or pmbldcm or pmbdcm)的文獻(xiàn)，文獻(xiàn)類型限定為ARTICLE和REVIEW，時(shí)間跨度限定為2011年至2020年，檢索日期為2021年4月19日，共獲得1016篇文獻(xiàn)。在統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，采用平均計(jì)數(shù)法處理國(guó)家地區(qū)、機(jī)構(gòu)和引文頻次指標(biāo)，不論先后排列次序，均按照每個(gè)一次的計(jì)算方法。

文章有助于無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域的研究者獲取有價(jià)值的科技情報(bào)，把握該領(lǐng)域的研究狀況和研究熱點(diǎn)，更好地規(guī)劃研究活動(dòng)的開展及進(jìn)行。

1發(fā)文量分析

無(wú)刷直流電機(jī)自出現(xiàn)以來(lái)，相關(guān)研究始終處于蓬勃發(fā)展的上升期。美國(guó)最早開始研究，2000年以前發(fā)文量較多的國(guó)家主要有美國(guó)、韓國(guó)和日本等，研究?jī)?nèi)容主要為無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)和性能分析，文獻(xiàn)量較少，增幅也比較緩慢。2001-2010年間年度文獻(xiàn)量增幅較快，開展研究的國(guó)家和地區(qū)增多，發(fā)文量較多的主要有韓國(guó)、美國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)等，研究?jī)?nèi)容主要為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和無(wú)位置傳感器控制。2011-2020年間年度文獻(xiàn)量繼續(xù)保持較快增幅，十年間基本翻了一番，從2011年74篇增加到2020年149篇，年均文獻(xiàn)量100篇以上；該階段主要研究?jī)?nèi)容為無(wú)位置傳感器控制和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制(特別是換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制)，研究廣度有所擴(kuò)大，深度持續(xù)推進(jìn)，后文將會(huì)對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)詳細(xì)分析,詳見(jiàn)圖1。

圖1 年度文獻(xiàn)量統(tǒng)計(jì)

2研究主體分析

從國(guó)家地區(qū)來(lái)看，共有60余個(gè)國(guó)家地區(qū)參與了無(wú)刷直流電機(jī)的研究，其中發(fā)文量10篇及以上的國(guó)家地區(qū)有20個(gè)，名稱和合作網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，節(jié)點(diǎn)大小表示出現(xiàn)頻次的高低，連線的粗細(xì)表示共現(xiàn)強(qiáng)度的大小，有紫色外圈的節(jié)點(diǎn)為高中介中心性的節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中具有重要的樞紐和橋梁作用。從文獻(xiàn)量來(lái)看，節(jié)點(diǎn)較大發(fā)文量前5位的國(guó)家地區(qū)分別是中國(guó)(286篇)、印度(167篇)、韓國(guó)(164篇)、伊朗(69篇)和美國(guó)(54篇)，其中中國(guó)和印度文獻(xiàn)量自2015年以來(lái)增長(zhǎng)明顯，一躍成為發(fā)文量最多的兩個(gè)國(guó)家，尤其是印度，由2019年的18篇突發(fā)性增加到2020年的45篇，韓國(guó)、伊朗和美國(guó)發(fā)文量雖略有波動(dòng)，但產(chǎn)出量比較平穩(wěn)。從合作網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，總連線強(qiáng)度較低，說(shuō)明高發(fā)文量國(guó)家地區(qū)間的合作關(guān)系較為松散，大多數(shù)獨(dú)立開展研究；中國(guó)中介中心性較高，與8個(gè)國(guó)家地區(qū)存在合作關(guān)系，但合作次數(shù)較少，關(guān)系偏弱，相對(duì)而言與英國(guó)、美國(guó)合作次數(shù)稍多；美國(guó)中介中心性最高，紫色光環(huán)區(qū)域較大，國(guó)際合作能力較強(qiáng)。

圖2 國(guó)家地區(qū)合作網(wǎng)絡(luò)

從研究機(jī)構(gòu)來(lái)看，共有800余家機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了研究，其中發(fā)文量為1～2篇的機(jī)構(gòu)有660余家，可以視為該項(xiàng)研究的外圍機(jī)構(gòu)，發(fā)文量5篇及以上的機(jī)構(gòu)有63家，成為該項(xiàng)研究的高產(chǎn)機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)以高校為主，還有三星公司和LG電子2家企業(yè)。從文獻(xiàn)量來(lái)看，前五名高產(chǎn)機(jī)構(gòu)分別是：北京航空航天大學(xué)(65篇)、Hanyang University(韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)，47篇)、Indian Institute of Technology System (IIT System)(印度理工學(xué)院，47篇)、Indian Institute of Technology(IIT)-Delhi(印度理工學(xué)院德里分校，36篇)和天津大學(xué)(26篇)。國(guó)內(nèi)其他發(fā)文量較高的機(jī)構(gòu)還有：南京航空航天大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和華中科技大學(xué)。

3期刊分析

202種期刊發(fā)表過(guò)該項(xiàng)研究的文獻(xiàn)，從出版國(guó)來(lái)看，來(lái)自32個(gè)國(guó)家地區(qū)，其中美國(guó)期刊64種，文獻(xiàn)量478篇；英國(guó)期刊39種，文獻(xiàn)量190篇；瑞士12種，文獻(xiàn)量60篇；荷蘭12種，文獻(xiàn)量30篇；中國(guó)7種，文獻(xiàn)量12篇；印度3種，文獻(xiàn)量9篇；韓國(guó)6種，文獻(xiàn)量49篇。由此可知，載文期刊主要由歐美國(guó)家出版，多數(shù)研究成果也在歐美期刊上發(fā)表。

文獻(xiàn)呈現(xiàn)出分布分散與相對(duì)集中并存的趨勢(shì)，一方面刊種域分布的比較寬，另一方面多數(shù)文獻(xiàn)又相對(duì)集中在少量的核心區(qū)期刊中。發(fā)文量1～2篇期刊有127種，種數(shù)占62.87%，文獻(xiàn)僅占15.45%；發(fā)文量10篇及以上的期刊有23種，種數(shù)僅占11.39%，文獻(xiàn)量卻占61.81%，成為該項(xiàng)研究的高載文量核心區(qū)期刊。運(yùn)用VOSviewer對(duì)高載文量期刊進(jìn)行引證關(guān)系分析，結(jié)果如圖3所示，節(jié)點(diǎn)大小與顏色分別表示文獻(xiàn)量的多寡和平均被引頻次高低，連線的粗細(xì)表示引證關(guān)系的強(qiáng)弱。這些期刊之間存在較為頻繁相互引證關(guān)系，知識(shí)流動(dòng)強(qiáng)度較大。文獻(xiàn)量最多的前五種刊物處于網(wǎng)絡(luò)中的中心位置，其基本情況如下：IEEE Transactions on Magnetics(87篇)，文獻(xiàn)平均被引頻次為19，前期發(fā)文量較多，但近四年來(lái)發(fā)文量持續(xù)降低；IEEE Transactions on Industrial Electronics(68篇)，文獻(xiàn)平均被引頻次為28；IEEE Transactions on Power Electronics(68篇)，文獻(xiàn)平均被引頻次為26； IEEE Transactions on Industry Applications(49篇)，文獻(xiàn)平均被引頻次為21；IET Electric Power Applications(60篇)，文獻(xiàn)平均被引頻次為10，近三年發(fā)文量明顯增加。通過(guò)期刊共被引分析發(fā)現(xiàn)，前四種期刊在本數(shù)據(jù)集中被引強(qiáng)度也最高，占全部引文的36.86%，為該項(xiàng)研究中最重要的知識(shí)輸出性期刊。

圖3 期刊引證網(wǎng)絡(luò)

4主要研究?jī)?nèi)容及趨勢(shì)分析

4.1前期經(jīng)典文獻(xiàn)分析

學(xué)者通常通過(guò)借鑒前人的研究成果來(lái)探索和推進(jìn)現(xiàn)有研究，經(jīng)典文獻(xiàn)是某一領(lǐng)域的廣大學(xué)者在研究過(guò)程中反復(fù)引用的科學(xué)文獻(xiàn)。該數(shù)據(jù)集全部引文的時(shí)間橫跨1839-2021年，其中2011年之前引文主要分布在1980-2010年間。使用CRExplorer軟件對(duì)數(shù)據(jù)集中的1980-2010年間的引文進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)引文出版年光譜分析，結(jié)果如圖4所示，X軸表示引文的出版年份，Y軸表示某一年份引證累積總量，紅色曲線為參考文獻(xiàn)的原始被引頻次分布，藍(lán)色曲線是依據(jù)原始被引頻次按照五年平均中值所計(jì)算的偏差曲線，峰值主要是由該年份發(fā)表的被引頻次較高的經(jīng)典文獻(xiàn)引起的。CRExplorer軟件的作者之一Werner Marx指出，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)引文出版年光譜分析時(shí)，只需對(duì)峰值點(diǎn)上被引用頻次最高的單篇文獻(xiàn)進(jìn)行內(nèi)容解析，便可獲知對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展起重要作用的文獻(xiàn)信息[7-8]。由圖4可知，峰值年份主要有1985年、1989年、1994年、1996年、2000年、2006年和2010年。這些年份出現(xiàn)經(jīng)典文獻(xiàn)一直擁有較高的被引頻次，是該領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)步的重要知識(shí)基礎(chǔ)和推動(dòng)力。

圖4 引文出版年光譜(1980-2010)

1985年IIZUKA K發(fā)表的《Microcomputer control for sensorless brushless motor》和《2010年Damodharan P》發(fā)表的《Sensorless brushless DC motor drive based on the zero-crossing detection of back electromotive force (EMF) from the line voltage difference》是無(wú)位置傳感器控制領(lǐng)域的奠基性和關(guān)鍵性文獻(xiàn)[9-11]，前者提出了反電動(dòng)勢(shì)端電壓檢測(cè)法，后者提出了反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)線電壓檢測(cè)法。1989年P(guān)ILLAY P發(fā)表的《Modeling，simulation，and analysis of permanent-magnet motor drives，Part Ⅱ： the brushless DC motor drive》是無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)領(lǐng)域的關(guān)鍵性文獻(xiàn)[12-13]，文章分析了無(wú)刷直流電機(jī)梯形反電動(dòng)勢(shì)波形的特點(diǎn)，建立了無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，研究了使用滯環(huán)電流控制和脈寬調(diào)制電流控制時(shí)的無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速性能。2000年P(guān)ark SJ發(fā)表的《A new approach for minimum torque ripple maximum efficiency control of BLDC motor》、2006年Kim DK發(fā)表的《Commutation torque ripple reduction in a position sensorless brushless DC motor drive》和2006年Nam KY發(fā)表的《Reducing torque ripple of brushless DC motor by varying input voltage》是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制領(lǐng)域的關(guān)鍵性文獻(xiàn)。Park SJ的文章利用坐標(biāo)變換根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)電流波形進(jìn)行優(yōu)化以抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；Kim DK的文章通過(guò)保持換相期間的非換相相電壓穩(wěn)定以抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通過(guò)相電壓檢測(cè)來(lái)確定換相時(shí)間；Nam KY的文章通過(guò)改變直流輸入電壓來(lái)保持非換相相電流穩(wěn)定以抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。1996年Jahns TM發(fā)表的《Pulsating torque minimization techniques for permanent magnet AC motor drives-a review》是連接換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制領(lǐng)域與齒槽轉(zhuǎn)矩領(lǐng)域的重要文獻(xiàn)，文章從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制方法兩個(gè)方面對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制進(jìn)行了綜述。1994年Hendershot J R出版了專著《Design of brushless permanent-magnet motors》，詳細(xì)介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)、性能和控制，是無(wú)刷直流電機(jī)智能控制領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)性圖書文獻(xiàn)。

4.2研究?jī)?nèi)容及趨勢(shì)分析

隨著研究不斷深入發(fā)展，研究領(lǐng)域內(nèi)文獻(xiàn)的被引和施引關(guān)系會(huì)越來(lái)越交叉化、復(fù)雜化，進(jìn)而形成復(fù)雜的引文網(wǎng)絡(luò)。共被引分析概念和方法的提出，成為引文網(wǎng)絡(luò)分析提供了重要的研究手段。數(shù)據(jù)集中LCS(本地被引頻次，指在所采集數(shù)據(jù)中的被引次數(shù))在10次及以上的文獻(xiàn)共有236篇，這些文獻(xiàn)被頻繁引證，可以視為本領(lǐng)域研究的經(jīng)典文獻(xiàn)和熱點(diǎn)文獻(xiàn)，運(yùn)用CiteSpace構(gòu)建這236篇文獻(xiàn)的共被引網(wǎng)絡(luò)，以探究本領(lǐng)域的主要知識(shí)結(jié)構(gòu)和研究?jī)?nèi)容，利用譜聚類算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)聚類，結(jié)果如圖5所示，節(jié)點(diǎn)的大小、位置、顏色、突現(xiàn)度、中心度、中介中心度等標(biāo)識(shí)了其在網(wǎng)絡(luò)中的地位，連線粗細(xì)體現(xiàn)了共被引強(qiáng)度的高低。

圖5 文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)聚類

5 文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)

由圖5可知，近十年無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域的文獻(xiàn)主要形成了六個(gè)主題聚類。

5.1聚類群組標(biāo)簽為無(wú)位置傳感器控制。 無(wú)位置傳感器技術(shù)是利用電壓、電流等信息間接檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息的技術(shù)，具有系統(tǒng)可靠性高和成本低廉的優(yōu)勢(shì)。該研究主題的文獻(xiàn)量最多，突現(xiàn)強(qiáng)度高，是近年來(lái)主要的研究熱點(diǎn)和研究前沿[14-15]。

無(wú)刷直流電機(jī)需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)換相，傳統(tǒng)無(wú)刷直流電機(jī)需要使用轉(zhuǎn)子位置傳感器直接檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息。但是安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器存在以下缺點(diǎn)：系統(tǒng)可靠性低、占用空間、易引入電磁干擾和安裝精度難以保證。鑒于上述缺點(diǎn)，無(wú)位置傳感器技術(shù)日益受到關(guān)注，成為第一大研究熱點(diǎn)。無(wú)位置傳感器技術(shù)主要包括以下方法：反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、反電動(dòng)勢(shì)三次諧波檢測(cè)法、續(xù)流二極管法、電感法(磁鏈法)、位置函數(shù)法和觀測(cè)器法[16-20]。

2014年Tae-Won Chun發(fā)表的《Sensorless control of BLDC motor drive for an automotive fuel pump using a hysteresis comparator》一文LCS較高，該文提出了一種基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)原理的無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，利用滯環(huán)比較器來(lái)補(bǔ)償?shù)屯V波器引起的相位滯后，同時(shí)防止多級(jí)輸出變換在終端電壓引起的噪聲。反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法是根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)經(jīng)過(guò)計(jì)算確定換相位置，具有實(shí)現(xiàn)容易、簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的方法。2017年李海濤發(fā)表的《Self-correction of commutation point for high-speed sensorless BLDC motor with low inductance and nonideal back EMF》一文突現(xiàn)度最高，該文基于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)原理，根據(jù)非勵(lì)磁相在換相區(qū)間的電壓差，利用無(wú)模型自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)換相時(shí)刻進(jìn)行自校正，提出了一種應(yīng)用于小電感和非理想電動(dòng)勢(shì)的高速無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器技術(shù)。2015年崔臣君發(fā)表的《Sensorless drive for high speed brushless dc motor based on the virtual neutral voltage》一文也較為重要，該文提出了一種基于虛擬中性點(diǎn)電壓的高速無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器技術(shù)，利用超低截止頻率的低通濾波器來(lái)處理不清晰的虛擬電壓信號(hào)以獲取位置信息。

5.2聚類群組標(biāo)簽為換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制。 無(wú)刷直流電機(jī)由于在調(diào)速性能和功率密度方面具有優(yōu)勢(shì)而得到廣泛的應(yīng)用，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特別是換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較為突出的問(wèn)題限制了其在高性能領(lǐng)域的應(yīng)用，因此換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制是近年來(lái)無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域第二關(guān)注點(diǎn)。

換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由于非換相相電流的脈動(dòng)引起的，抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的基本思路是保持非換相相電流恒定?？刂撇呗灾饕ǎ和?fù)浣Y(jié)構(gòu)、直接轉(zhuǎn)矩控制、重疊換相法、脈寬調(diào)制優(yōu)化、電流優(yōu)化、模型預(yù)測(cè)控制和矢量控制[21-24]。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在逆變器前增加一級(jí)直流電壓變換電路，通過(guò)調(diào)節(jié)直流母線電壓，控制開通相和關(guān)斷相的電流變化率相等，達(dá)到轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的效果。直接轉(zhuǎn)矩控制是以瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩為控制量，通過(guò)電壓矢量的選擇直接控制轉(zhuǎn)矩。矢量控制是利用坐標(biāo)變換的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定控制。模型預(yù)測(cè)控制是利用當(dāng)前偏差、過(guò)去偏差和預(yù)測(cè)偏差，以反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化確定當(dāng)前的最優(yōu)控制策略。

2012年房建成發(fā)表的《Torque ripple reduction in BLDC torque motor withnonideal back EMF》一文LCS最高，該文采用PWM_ON_PWM調(diào)制模式消除非導(dǎo)通相中二極管的電流以降低傳導(dǎo)區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比和重疊換相法來(lái)降低換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。2016年李新旻發(fā)表的《Commutation torque ripple reduction strategy of Z-source inverter fed brushless DC motor》一文突顯度最高，該文提出了一種基于 Z 源變換器的無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法，在三相橋臂功率電路前級(jí)增加具有升降壓功能的Z源變換器，換相階段Z 源變換器調(diào)節(jié)直流母線電壓，使無(wú)刷直流電機(jī)開通相電流上升率等于關(guān)斷相電流下降率，從而抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。2011年Salih Baris Ozturk發(fā)表的《Direct torque and indirect flux control of brushless DC Motor》一文Sigma值較高，該文將直接轉(zhuǎn)矩控制方法應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)以抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)對(duì)無(wú)位置傳感器控制也進(jìn)行了研究。2020年夏鯤發(fā)表的《Model predictive control method of torque ripple reduction for BLDC motor》應(yīng)用模型預(yù)測(cè)控制方法有效抑制了無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

5.3聚類群組標(biāo)簽為速度控制。 文獻(xiàn)內(nèi)容是無(wú)刷直流電機(jī)的控制算法，是近年來(lái)第三關(guān)注點(diǎn)。該聚類重要的文獻(xiàn)有2015年K. Premkumar發(fā)表的《Speed control of brushless dc motor using bat algorithm optimized adaptive neuro-fuzzy inference system》和2017年Kamaraj Premkumar發(fā)表的《Antlion algorithm optimized fuzzy PID supervised on-line recurrent fuzzy neural network based controller for brushless DC motor》。前者提出了一種基于蝙蝠算法優(yōu)化的在線自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行速度控制，后者提出了一種基于蟻群算法優(yōu)化的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行速度控制。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是新興的人工智能控制方法中成功應(yīng)用的代表性方法，與傳統(tǒng)控制方法的不同是降低了對(duì)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的高度依賴。模糊控制是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)構(gòu)造復(fù)雜對(duì)象的模糊關(guān)系和模糊規(guī)則，根據(jù)模糊關(guān)系、模糊規(guī)則和被控對(duì)象輸出誤差進(jìn)行模糊推理確定控制量。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是從結(jié)構(gòu)和功能對(duì)人腦神經(jīng)系統(tǒng)的模擬，將控制關(guān)系和控制規(guī)律隱形地儲(chǔ)存于網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的非線性映射能力、學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力。由于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非凡的非線性處理能力和智能特性，已被應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和無(wú)位置傳感器控制[25-26]。

5.4聚類群組標(biāo)簽為齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)。 齒槽轉(zhuǎn)矩是定子齒槽和永磁體相互作用產(chǎn)生的磁阻性轉(zhuǎn)矩，會(huì)引起附加的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[27]。本聚類是前期熱點(diǎn)，目前研究熱度處于下降趨勢(shì)。較為重要的文獻(xiàn)有2011年Jin Hur發(fā)表的《Vibration reduction of IPM-Type BLDC motor using negative third harmonic elimination method of air-gap flux density》和2012年K. Abbaszadeh發(fā)表的《Slot opening optimization of surface mounted permanent magnet motor for cogging torque reduction》。前者通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子形狀來(lái)消除非理想徑向磁通分布形成的諧波，從而減少齒槽轉(zhuǎn)矩；后者使用斜槽法減小齒槽轉(zhuǎn)矩，采用表面法、遺傳算法和粒子群算法對(duì)開槽形狀進(jìn)行優(yōu)化。

5.5聚類群組標(biāo)簽為功率因數(shù)校正(power factor correction)。該聚類的主要研究?jī)?nèi)容是在逆變器前增加直流變換器，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)校正和直流母線調(diào)壓[28-29]。該聚類也是前期熱點(diǎn)，目前研究熱度處于下降趨勢(shì)。重要的文獻(xiàn)有2014年Vashist Bist發(fā)表的《An adjustable speed PFC bridgeless buck-boost converter fed BLDC motor drive》和2012年Sanjeev Singh發(fā)表的《A voltage controlled PFC cuk converter based PMBLDCM drive for air-conditioners》，兩者分別通過(guò)無(wú)橋式buck-boost直流變換器和cuk直流變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和直流母線調(diào)壓。

5.6聚類群組標(biāo)簽為四開關(guān)逆變器(four switch inverter)。該聚類是為了降低系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用四個(gè)電力電子器件組成功率逆變器為無(wú)刷直流電機(jī)供電[30]。該聚類研究人數(shù)少，目前研究熱度處于下降趨勢(shì)。重要的文獻(xiàn)有2014年Mourad Masmoudi發(fā)表的《DTC of B4-inverter fed BLDC motor drives with reduced torque ripple during sector to sector commutations》和2013年夏長(zhǎng)亮發(fā)表的《Three effective vectors based current control scheme for four switch three phase trapezoidal brushless DC motor》。前者對(duì)四開關(guān)逆變器供電的無(wú)刷直流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究，后者為四開關(guān)逆變器供電的無(wú)刷直流電機(jī)提出了一種有效相量電流控制方法。

從以上分析可以看出，無(wú)位置傳感器控制和換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制為無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域的主流研究熱點(diǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)，需要在不同轉(zhuǎn)子位置提供合適的電流從而產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩。因此這兩大問(wèn)題對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用具有重要影響，其研究尚處于上升階段，仍然會(huì)是今后研究的熱點(diǎn)和主流。無(wú)位置傳感器控制中反電動(dòng)勢(shì)法應(yīng)用最為廣泛，位置函數(shù)法是研究前沿，起動(dòng)是其研究難點(diǎn)。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的新思路和研究前沿，具有研究潛力。齒槽轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)校正和四開關(guān)逆變器三個(gè)研究主題的熱度處于下降趨勢(shì)。速度控制研究主題中智能控制處于上升趨勢(shì)，以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制表現(xiàn)最為突出。

5結(jié)論

文章從發(fā)文量、國(guó)家地區(qū)、機(jī)構(gòu)、作者、期刊、前期經(jīng)典文獻(xiàn)和近十年研究?jī)?nèi)容等方面對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與研究趨勢(shì)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1)無(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域的研究處于蓬勃發(fā)展上升態(tài)勢(shì)，中國(guó)、印度和韓國(guó)是目前該領(lǐng)域的發(fā)文量較多的國(guó)家。載文期刊的集中度較高，IEEE出版的期刊在載文量和被引表現(xiàn)方面均尤為突出。

(2)無(wú)刷直流電機(jī)目前的研究有六大主題：無(wú)位置傳感器控制、換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制、速度控制、齒槽轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)校正和四開關(guān)逆變器。

(3)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模型預(yù)測(cè)控制，適合處理非線性關(guān)系，在無(wú)刷直流電機(jī)的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和無(wú)位置傳感器控制中非常有應(yīng)用前景。