無刷電機(jī)的應(yīng)用
1 引 言
直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的直流電動(dòng)機(jī)由于需要機(jī)械換相和電刷，可*性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服機(jī)械換相帶來的缺點(diǎn)，以電子換相取代機(jī)械換相的無刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。1955年美國(guó)D．Harrison等人首次申請(qǐng)了用晶體管換相電路代替機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電動(dòng)機(jī)的誕生。而電子換相的無刷直流電動(dòng)機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段，是在1978年的MAC經(jīng)典無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的推出。之后，國(guó)際上對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了深入的研究，先后研制成方波無刷電機(jī)和正弦波直流無刷電機(jī)。20多年以來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)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(dòng)機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。無刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機(jī)，而是泛指具有有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)［1］。
無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)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(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。
在結(jié)構(gòu)上，與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組作為電樞，勵(lì)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(dòng)機(jī)可分為方波直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）和正弦波直流電動(dòng)機(jī)（PMSM），BLDCM用電子換相取代了原直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁繞組、滑環(huán)和電刷。在相同的條件下，驅(qū)動(dòng)電路要獲得方波比較容易，且控制簡(jiǎn)單，因而BLDCM的應(yīng)用較PMSM要廣泛的多［2］。
直流無刷電動(dòng)機(jī)一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和電動(dòng)機(jī)本體三部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，而對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)一般用位置傳感器來完成。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)［3］。本文從無刷電動(dòng)機(jī)的三個(gè)部分對(duì)其發(fā)展進(jìn)行分析。
2 各組成部分發(fā)展?fàn)顩r
2．1 電動(dòng)機(jī)本體
無刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可*性得以提高。無刷電動(dòng)機(jī)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(gè)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(chǎng)革命。第三代釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用，進(jìn)一步減少了電機(jī)的用銅量，促使無刷電機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能的方向發(fā)展［4］。
目前，為提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，出現(xiàn)了橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，其定子齒槽與電樞線圈在空間位置上相互垂直，電機(jī)中的主磁通沿電機(jī)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(jī)大得多的輸出轉(zhuǎn)矩［5］。該類型電機(jī)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(dòng)機(jī)通過控制驅(qū)動(dòng)電路中的功率開關(guān)器件，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護(hù)電機(jī)，包括過流、過壓、過熱等保護(hù)�？刂齐娐纷畛醪捎媚M電路，控制比較簡(jiǎn)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(shí)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(hào)處理器等三種組成形式。對(duì)電機(jī)控制要求不高的場(chǎng)合，由專業(yè)集成電路組成控制電路是簡(jiǎn)單實(shí)用的方法；由于數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算快，外圍電路少，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、可*，使得直流無刷電動(dòng)機(jī)的組成大為簡(jiǎn)化，性能大大改進(jìn)，有利于電機(jī)的小型化和智能化，因而數(shù)字信號(hào)處理器是控制電路發(fā)展的方向［6］。
驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)才從有刷實(shí)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(dòng)機(jī)性能的進(jìn)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(chǎng)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(qiáng)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(biāo)低的普通晶閘管，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路實(shí)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(cè)電路
永磁無刷電動(dòng)機(jī)是一閉環(huán)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)作為電子開關(guān)線路的換相信號(hào)，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時(shí)對(duì)功率器件進(jìn)行切換，是無刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。
用位置傳感器來作為轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)。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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的重量和結(jié)構(gòu)尺寸，不利于電機(jī)的小型化；旋轉(zhuǎn)時(shí)傳感器難免有磨損，且不易維護(hù)；同時(shí)，傳感器的安裝精度和靈敏度直接影響電機(jī)的運(yùn)行性能；另一方面，由于傳輸線太多，容易引入干擾信號(hào)；由于是硬件采集信號(hào)，更降低了系統(tǒng)的可*性。為適應(yīng)無刷電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，無位置傳感器應(yīng)運(yùn)而生，它一般利用電樞繞組的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)來間接獲得轉(zhuǎn)子磁極位置，與直接檢測(cè)法相比，省去了位置傳感器，簡(jiǎn)化了電動(dòng)機(jī)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(duì)于*反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行位置檢測(cè)的無位置傳感器無刷電動(dòng)機(jī)，由于靜止時(shí)不產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，因而如何順利啟動(dòng)是該電機(jī)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(dòng)機(jī)，它不是利用反電動(dòng)勢(shì)來檢測(cè)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(shí)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(cè)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(dòng)機(jī)克服了一般無位置無刷電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和低速運(yùn)行問題，但該方法需要特殊的電機(jī)，對(duì)電機(jī)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(dòng)
目前，無刷直流電動(dòng)機(jī)存在的最主要的問題就是存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使得電機(jī)速度控制特性惡化。尤其是用于視聽設(shè)備、電影機(jī)械、計(jì)算機(jī)中的無刷直流電動(dòng)機(jī)，更要求運(yùn)行平穩(wěn)、沒有噪聲。因而抑制或消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)成為提高伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。
轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dòng)；諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；由于電樞等效電感的影響，由換相電流引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前，各高校以及科研機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題展開了深入的研究，針對(duì)不同的產(chǎn)生原因，提出了各種抑制或削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法，從不同程度上提高了無刷電動(dòng)機(jī)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(bǔ)償?shù)姆椒�，沒有從原理上或者根本上消除轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。因而轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)還有待于進(jìn)一步的研究。
3．2 無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)
無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法主要有：反電動(dòng)勢(shì)法、續(xù)流二極管法、電感法和狀態(tài)觀測(cè)法。其中反電動(dòng)勢(shì)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(duì)于大功率無刷電動(dòng)機(jī)，電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁密的影響更明顯，誤差也就更大。另一方面，電機(jī)在啟動(dòng)和低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零或很小，很難通過反電動(dòng)勢(shì)來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，無位置傳感器的無刷電動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)問題［9］。因此，如何在大功率無刷電動(dòng)機(jī)中補(bǔ)償反電動(dòng)勢(shì)法造成的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的誤差，以及如何克服反電動(dòng)勢(shì)法中電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問題，是急需解決的。對(duì)于啟動(dòng)問題，一般采用先用其他方法啟動(dòng)之后再切換到無位置傳感器的運(yùn)行方法。
4 無刷直流電動(dòng)機(jī)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(cè)可以通過芯片配合適當(dāng)?shù)乃惴▉韺?shí)現(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(yùn)行速度、處理能力有很大的提高。DSP固有的計(jì)算能力可用來在無刷電機(jī)上實(shí)現(xiàn)無傳感器控制［10］。采用DSP實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制成為研究的熱點(diǎn)，低成本DSP無位置傳感器無刷電動(dòng)機(jī)，成為無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。
中文版
English