浙江理工大学本科毕业设计（论文）

特定绕组的驱动，而使转子获得连续的电磁转矩而转动，其结构如图1-1。

电机本体定子线圈绕组永磁无刷直流电机转子永磁体转子位置传感器电子换向电路

图1-1 永磁无刷直流电机组成框图

从上面的简单介绍不难发现，无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机，工作原理基本完全一致，只是用电子换向器取代机械换向器而已。

而他们的具体区别在于，有刷直流永磁电动机有很多独立的绕组，也即是很多的换向器，以实现转子磁场与定子磁场的实时正交，而获得较连续恒定的电磁转矩。进而如果用电子换向器直接代换机械换向器的工作，将包含大量的功率晶体管开关元件和与之相适应的转子位置传感器，就目前的科技水平而言，这种方法没有实用价值也很难实施。因此，在当前的无刷直流永磁电动机中，定子电枢采用类似于一般交流电动机的三相绕组，借助转子位置传感器检测出转子永磁体磁场与定子电枢绕组三相轴线之间的相对空间位置信号，进而通过处理这些信号来进行控制，实现定子电枢三相绕组的电子换向[2]。 1.2.2无刷直流电机的控制技术

目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJBI863无刷直流电机通用规范。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：①研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量。②从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围。③设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器[3]8。 1）无位置传感器检测技术

无位置传感器控制技术，顾名思义即是不用位置传感器，而主要通过电机内容易获取的电压或电流等信号，经过一定的算法处理，间接得到转子位置信号。

3

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

常用的转子位置间接检测法如图 1-2 所示[3]9。

转子位置间接检测法续流二极管法观测器估计法变电机结构法反电势法电感法磁链法智能估计法

图 1-2 转子位置间接检测法

（1）反电势法：其原理是转子旋转时，会在定子绕组上感应出反电动势，该反电动势的相位反映转子位置信息，进而通过检测反电动势信号即可间接得到转子位置信号。实际设计中，依靠检测浮空相的端电压得到反电动势过零点，在过零点之后30°电角度即为换相时刻。其原理简单、实现方便、应用广泛。 （2）电感法：利用凸极永磁转子旋转时，定子电感是转子位置和相电流的函数，定子绕组电感会随着电机转子位置变化而变化的原理，提出了用绕组电感来检测转子位置的方法。该方法可以达到较高的检测精度，但是该方法实现难度较大，在电机运行过程中，需要对定子绕组电感不停的进行检测和计算。 （3）续流二极管法：通过检测反向并联在驱动管上二极管的导通状态来得出转子的位置。续流二极管法的基本原理还是基于反电势法，但它是从电流角度来考虑反电势的。该方法能够弥补反电动势检测法在低速下的不足，能够检测更低的速度范围。

（4）观测器估计法：是一种利用卡尔曼滤波法和状态观测器来检测电机转子的方法。尤其近十年来，随着微处理器性能的提高，这种方法已获得进一步发展，被用到了实际的无刷电机控制系统中。

（5）磁链估计法：是一种用磁链估计位置的检测方法，通过对检测得到的电压和电流信号进行积分计算，得到磁通。再根据转子初始位置，电机参数，磁通之间的关系方程出发，计算出转子位置信息。虽然这种方法计算稍复杂，但误差较小、调速范围较广。

（7）变电机结构法：是一种对转子结构或定子结构作改善，而实现电机的无位置传感器控制。如表面粘贴式转子无刷直流电机中，添加辅助短路转子绕组，

4

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

以获取电机转子位置信息，或在电机转子表面贴装非磁性材料，从而能通过检测该材料涡流反应造成的断开相电压，来获得转子位置信息。

（8）智能估计法：利用神经网络控制和模糊控制等智能算法，建立电机的电压、电流和转子位置信号之间的关系式，其控制精度较高。但相对传统无位置传感器控制方式而言，算法复杂程度和运算时间较大。

采用无位置传感器控制的无刷直流电机，较难直接启动。因此这种电机的启动方式将始终是研究的热点和难点[4]。 2) 转矩波动抑制研究

相对于正弦波型永磁同步电机，梯形波型无刷直流电机最大的问题是存在电磁转矩脉动。电机加工过程中机械加工带来的误差造成感应电动势的不对称、永磁材料磁性性能的不一致、定子换向过程的影响等，都会带来转矩波动[5]。

转矩脉动会直接降低电力传动系统控制特性和驱动系统的可靠性，并带来振动、谐振、噪声等问题。因此，抑制换相转矩波动是无刷直流电机研究领域的一项重要内容，许多学者在这方面进行了大量的研究工作。

文献[6]详细分析了无刷直流电机转矩产生的原理及转矩波动存在的必然性。

国内相关学者也对无刷直流电机的转矩波动进行了大量的研究。文献[7]对电枢反应引起的转矩波动进行了分析，并从换相控制和磁路设计两个方面提出抑制脉动的方法。

综上，引起无刷直流电机转矩波动的原因是复杂的，应该针对不同的情况采用相应的控制方法，因为各种方法都有各自的优缺点和适用场合。 3)无刷直流电机控制器研究

无刷直流电机控制器经历了从分立元件到数字可编程集成电路控制方式的发展历程。

采用分立电子元器件的无刷直流电机控制器，结构复杂、体积较大，因而可靠性和通用性也相对较差，还不利于批量生产。因此，当前主要采用专用集成电路(ASIC)控制器、FPGA、CPLD、单片机和DSP控制器等方式。

目前，很多半导体厂商，都能提供自己开发的电机控制专用集成电路，如MicroLinear公司的ML4425/4428无位置传感器电机控制芯片。专用集成电路控

5

浙江理工大学本科毕业设计（论文）

制器具有，结构简单、性价比高、外围器件比分立式控制器少的优点，但在使用时也会受到一定的限制，功能扩展性不好，很难进行产品升级等操作。因此，如果考虑到控制器今后的软硬件设计功能要求，可使用CPLD、FPGA、单片机或DSP等对无刷直流电机进行控制，该类控制器具有功能完善和控制灵活等特点，当然相应的成本可能会比专用集成电路控制器高。CPLD可以用VHDL或Verilog语言来编程，具有静态可重复编程和动态在线系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样可通过编程来修改。典型的以DSP为控制核心的无刷直流电机控制系统如下图1-3 所示。

外围设备驱动保护电路微处理器（单片机、DSP等） 驱动电路（逆变器）无刷直流电机位置检测电路图1-3 典型的无刷直流电机控制系统

DSP等微处理器强大的计算能力使许多智能控制算法在无刷直流电机控制中得以实现，近年来无刷直流电机的全数字化智能控制成为业界相关人员的研究热点[8]。相信更高效完善的控制方案将不断呈现。 1.2.3无刷直流电机控制技术的发展趋势

无刷直流电机主要由电机本体、驱动电路和位置传感器三部分组成，其控制涉及电机技术、电力电子技术、检测与传感器技术和控制理论技术。因此，新电子技术和新控制方法的出现都将进一步推动无刷直流电机的发展。 1) 小型化与集成化

微机电系统(MEMS)技术的发展将使电机朝着控制电路和传感器高度集成化的方向发展。但到目前为止，由于技术上的限制，电机与控制器一体化产品主要还是应用在磁盘驱动器的主轴驱动和仪器用风扇驱动等特殊结构的小功率无

6