無刷電機的應(yīng)用
1 引 言
直流電動機以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的直流電動機由于需要機械換相和電刷，可*性差，需要經(jīng)常維護；換相時產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動機在控制系統(tǒng)中的進一步應(yīng)用。為了克服機械換相帶來的缺點，以電子換相取代機械換相的無刷電機應(yīng)運而生。1955年美國D．Harrison等人首次申請了用晶體管換相電路代替機械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷電動機的誕生。而電子換相的無刷直流電動機真正進入實用階段，是在1978年的MAC經(jīng)典無刷直流電動機及其驅(qū)動器的推出。之后，國際上對無刷直流電動機進行了深入的研究，先后研制成方波無刷電機和正弦波直流無刷電機。20多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開關(guān)器件的發(fā)展，無刷電動機得到了長足的發(fā)展。無刷直流電動機已經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機，而是泛指具有有刷直流電動機外部特性的電子換相電機［1］。
無刷直流電動機不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運行可*、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、家電以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展。
在結(jié)構(gòu)上，與有刷直流電動機不同，無刷直流電動機的定子繞組作為電樞，勵磁繞組由永磁材料所取代。按照流入電樞繞組的電流波形的不同，直流無刷電動機可分為方波直流電動機（BLDCM）和正弦波直流電動機（PMSM），BLDCM用電子換相取代了原直流電動機的機械換相，由永磁材料做轉(zhuǎn)子，省去了電刷；而PMSM則是用永磁材料取代同步電動機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，省去了勵磁繞組、滑環(huán)和電刷。在相同的條件下，驅(qū)動電路要獲得方波比較容易，且控制簡單，因而BLDCM的應(yīng)用較PMSM要廣泛的多［2］。
直流無刷電動機一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和電動機本體三部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動部分組成，而對轉(zhuǎn)子位置的檢測一般用位置傳感器來完成。工作時，控制器根據(jù)位置傳感器測得的電機轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動電路中的各個功率管，進行有序換流，以驅(qū)動直流電動機［3］。本文從無刷電動機的三個部分對其發(fā)展進行分析。
2 各組成部分發(fā)展狀況
2．1 電動機本體
無刷直流電動機在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動機基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、簡化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可*性得以提高。無刷電動機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不開的，磁性材料的發(fā)展過程基本上經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：鋁鎳鈷，鐵氧體磁性材料，釹鐵硼（NdFeB）。釹鐵硼有高磁能積，它的出現(xiàn)引起了磁性材料的一場革命。第三代釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用，進一步減少了電機的用銅量，促使無刷電機向高效率、小型化、節(jié)能的方向發(fā)展［4］。
目前，為提高電動機的功率密度，出現(xiàn)了橫向磁場永磁電機，其定子齒槽與電樞線圈在空間位置上相互垂直，電機中的主磁通沿電機軸向流通，這種結(jié)構(gòu)提高了氣隙磁密，能夠提供比傳統(tǒng)電機大得多的輸出轉(zhuǎn)矩［5］。該類型電機正處于研究開發(fā)階段。
2．2 電子換相電路
控制電路：無刷直流電動機通過控制驅(qū)動電路中的功率開關(guān)器件，來控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護電機，包括過流、過壓、過熱等保護。控制電路最初采用模擬電路，控制比較簡單。如果將電路數(shù)字化，許多硬件工作可以直接由軟件完成，可以減少硬件電路，提高其可*性，同時可以提高控制電路抗干擾的能力，因而控制電路由模擬電路發(fā)展到數(shù)字電路
目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號處理器等三種組成形式。對電機控制要求不高的場合，由專業(yè)集成電路組成控制電路是簡單實用的方法；由于數(shù)字信號處理器運算快，外圍電路少，系統(tǒng)組成簡單、可*，使得直流無刷電動機的組成大為簡化，性能大大改進，有利于電機的小型化和智能化，因而數(shù)字信號處理器是控制電路發(fā)展的方向［6］。
驅(qū)動電路：驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅(qū)動電路由大功率開關(guān)器件組成。正是由于晶閘管的出現(xiàn)，直流電動機才從有刷實現(xiàn)到無刷的飛躍。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無自關(guān)斷能力的半控性開關(guān)器件，其開關(guān)頻率較低，不能滿足無刷直流電動機性能的進一步提高。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全控型的功率開關(guān)器件，其中有可關(guān)斷晶體管（GTO）、電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、金屬柵雙極性晶體管IGBT模塊、集成門極換流晶閘管（IGCT）及近年新開發(fā)的電子注入增強柵晶體管（IEGT）〔7〕。隨著這些功率器件性能的不斷提高，相應(yīng)的無刷電動機的驅(qū)動電路也獲得了飛速發(fā)展。目前，全控型開關(guān)器件正在逐漸取代線路復(fù)雜、體積龐大、功能指標低的普通晶閘管，驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)的電路組成也由功率管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路，為驅(qū)動電路實現(xiàn)智能化、高頻化、小型化創(chuàng)造了條件。
2．3 轉(zhuǎn)子位置檢測電路
永磁無刷電動機是一閉環(huán)的機電一體化系統(tǒng)，它是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信號作為電子開關(guān)線路的換相信號，因此，準確檢測轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時對功率器件進行切換，是無刷直流電動機正常運行的關(guān)鍵。
用位置傳感器來作為轉(zhuǎn)子的位置檢測裝置是最直接有效的方法。一般將位置傳感器安裝于轉(zhuǎn)子的軸上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實時檢測。最早的位置傳感器是磁電式的，既笨重又復(fù)雜，已被淘汰；目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機中，另外還有光電式的位置傳感器。位置傳感器的存在，增加了無刷直流電動機的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，不利于電機的小型化；旋轉(zhuǎn)時傳感器難免有磨損，且不易維護；同時，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機的運行性能；另一方面，由于傳輸線太多，容易引入干擾信號；由于是硬件采集信號，更降低了系統(tǒng)的可*性。為適應(yīng)無刷電動機的進一步發(fā)展，無位置傳感器應(yīng)運而生，它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動勢來間接獲得轉(zhuǎn)子磁極位置，與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，簡化了電動機本體結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應(yīng)用。但對于*反電動勢進行位置檢測的無位置傳感器無刷電動機，由于靜止時不產(chǎn)生反電動勢，因而如何順利啟動是該電機需要解決的問題。
近年，有人提出了一種新的無位置傳感器的無刷電動機，它不是利用反電動勢來檢測轉(zhuǎn)子位置，而是通過貼于轉(zhuǎn)子表面的非磁性導(dǎo)電材料，利用定子繞組高頻開關(guān)工作時非磁性材料上的渦流效應(yīng)，使開路相電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置而變化，從而可通過檢測開路相電壓來判斷轉(zhuǎn)子位置，這種無位置傳感器的無刷電動機克服了一般無位置無刷電動機的啟動和低速運行問題，但該方法需要特殊的電機，對電機的制造工藝提出很高的要求［8］。
3 有待研究問題
3．1 轉(zhuǎn)矩脈動
目前，無刷直流電動機存在的最主要的問題就是存在轉(zhuǎn)矩脈動。由于轉(zhuǎn)矩存在脈動，使得無刷直流電動機在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制，尤其是在直接驅(qū)動應(yīng)用的場合，轉(zhuǎn)矩脈動使得電機速度控制特性惡化。尤其是用于視聽設(shè)備、電影機械、計算機中的無刷直流電動機，更要求運行平穩(wěn)、沒有噪聲。因而抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動成為提高伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。
轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因主要有：齒槽效應(yīng)和磁通畸變引起的轉(zhuǎn)矩脈動；諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動；由于電樞等效電感的影響，由換相電流引起的轉(zhuǎn)矩脈動。目前，各高校以及科研機構(gòu)對轉(zhuǎn)矩脈動問題展開了深入的研究，針對不同的產(chǎn)生原因，提出了各種抑制或削弱轉(zhuǎn)矩脈動的方法，從不同程度上提高了無刷電動機的性能。但是這些研究均是在原有結(jié)構(gòu)、方案上提出了一些削弱或補償?shù)姆椒ǎ瑳]有從原理上或者根本上消除轉(zhuǎn)矩的脈動。因而轉(zhuǎn)矩的脈動還有待于進一步的研究。
3．2 無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測
無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測的方法主要有：反電動勢法、續(xù)流二極管法、電感法和狀態(tài)觀測法。其中反電動勢法是最常見和應(yīng)用最廣泛的方法。但該方法是在忽略電樞反應(yīng)的基礎(chǔ)上的，在原理上就存在誤差，對于大功率無刷電動機，電樞反應(yīng)對氣隙磁密的影響更明顯，誤差也就更大。另一方面，電機在啟動和低速時，反電動勢為零或很小，很難通過反電動勢來檢測轉(zhuǎn)子位置，無位置傳感器的無刷電動機存在啟動問題［9］。因此，如何在大功率無刷電動機中補償反電動勢法造成的轉(zhuǎn)子位置信號的誤差，以及如何克服反電動勢法中電動機的啟動問題，是急需解決的。對于啟動問題，一般采用先用其他方法啟動之后再切換到無位置傳感器的運行方法。
4 無刷直流電動機的發(fā)展方向
隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，位置檢測可以通過芯片配合適當?shù)乃惴▉韺崿F(xiàn)。高速微處理器和DSP器件以及專用的控制芯片的出現(xiàn)，使得運行速度、處理能力有很大的提高。DSP固有的計算能力可用來在無刷電機上實現(xiàn)無傳感器控制［10］。采用DSP實現(xiàn)無位置傳感器控制成為研究的熱點，低成本DSP無位置傳感器無刷電動機，成為無刷直流電動機的發(fā)展方向。
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