無(wú)刷電機的應用
1 引 言
直流電動(dòng)機以其優(yōu)良的轉矩特性在運動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用，但普通的直流電動(dòng)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(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機在控制系統中的進(jìn)一步應用。為了克服機械換相帶來(lái)的缺點(diǎn)，以電子換相取代機械換相的無(wú)刷電機應運而生。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(zhuān)利，標志著(zhù)現代無(wú)刷電動(dòng)機的誕生。而電子換相的無(wú)刷直流電動(dòng)機真正進(jìn)入實(shí)用階段，是在1978年的MAC經(jīng)典無(wú)刷直流電動(dòng)機及其驅動(dòng)器的推出。之后，國際上對無(wú)刷直流電動(dòng)機進(jìn)行了深入的研究，先后研制成方波無(wú)刷電機和正弦波直流無(wú)刷電機。20多年以來(lái)，隨著(zhù)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(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，無(wú)刷電動(dòng)機得到了長(cháng)足的發(fā)展。無(wú)刷直流電動(dòng)機已經(jīng)不是專(zhuān)指具有電子換相的直流電機，而是泛指具有有刷直流電動(dòng)機外部特性的電子換相電機［1］。
無(wú)刷直流電動(dòng)機不僅保持了傳統直流電動(dòng)機良好的動(dòng)、靜態(tài)調速特性，且結構簡(jiǎn)單、運行可*、易于控制。其應用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。
在結構上，與有刷直流電動(dòng)機不同，無(wú)刷直流電動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)機可分為方波直流電動(dòng)機（BLDCM）和正弦波直流電動(dòng)機（PMSM），BLDCM用電子換相取代了原直流電動(dòng)機的機械換相，由永磁材料做轉子，省去了電刷；而PMSM則是用永磁材料取代同步電動(dòng)機轉子中的勵磁繞組，省去了勵磁繞組、滑環(huán)和電刷。在相同的條件下，驅動(dòng)電路要獲得方波比較容易，且控制簡(jiǎn)單，因而B(niǎo)LDCM的應用較PMSM要廣泛的多［2］。
直流無(wú)刷電動(dòng)機一般由電子換相電路、轉子位置檢測電路和電動(dòng)機本體三部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅動(dòng)部分組成，而對轉子位置的檢測一般用位置傳感器來(lái)完成。工作時(shí)，控制器根據位置傳感器測得的電機轉子位置有序的觸發(fā)驅動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅動(dòng)直流電動(dòng)機［3］。本文從無(wú)刷電動(dòng)機的三個(gè)部分對其發(fā)展進(jìn)行分析。
2 各組成部分發(fā)展狀況
2．1 電動(dòng)機本體
無(wú)刷直流電動(dòng)機在電磁結構上和有刷直流電動(dòng)機基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉子采用的重量、簡(jiǎn)化了結構、提高了性能，使其可*性得以提高。無(wú)刷電動(dòng)機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不開(kāi)的，磁性材料的發(fā)展過(guò)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用，進(jìn)一步減少了電機的用銅量，促使無(wú)刷電機向高效率、小型化、節能的方向發(fā)展［4］。
目前，為提高電動(dòng)機的功率密度，出現了橫向磁場(chǎng)永磁電機，其定子齒槽與電樞線(xiàn)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，這種結構提高了氣隙磁密，能夠提供比傳統電機大得多的輸出轉矩［5］。該類(lèi)型電機正處于研究開(kāi)發(fā)階段。
2．2 電子換相電路
控制電路：無(wú)刷直流電動(dòng)機通過(guò)控制驅動(dòng)電路中的功率開(kāi)關(guān)器件，來(lái)控制電機的轉速、轉向、轉矩以及保護電機，包括過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護。控制電路最初采用模擬電路，控制比較簡(jiǎn)單。如果將電路數字化，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)展到數字電路
目前，控制電路一般有專(zhuān)用集成電路、微處理器和數字信號處理器等三種組成形式。對電機控制要求不高的場(chǎng)合，由專(zhuān)業(yè)集成電路組成控制電路是簡(jiǎn)單實(shí)用的方法；由于數字信號處理器運算快，外圍電路少，系統組成簡(jiǎn)單、可*，使得直流無(wú)刷電動(dòng)機的組成大為簡(jiǎn)化，性能大大改進(jìn)，有利于電機的小型化和智能化，因而數字信號處理器是控制電路發(fā)展的方向［6］。
驅動(dòng)電路：驅動(dòng)電路輸出電功率，驅動(dòng)電動(dòng)機的電樞繞組，并受控于控制電路。驅動(dòng)電路由大功率開(kāi)關(guān)器件組成。正是由于晶閘管的出現，直流電動(dòng)機才從有刷實(shí)現到無(wú)刷的飛躍。但由于晶閘管是只具備控制接通，而無(wú)自關(guān)斷能力的半控性開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)關(guān)頻率較低，不能滿(mǎn)足無(wú)刷直流電動(dòng)機性能的進(jìn)一步提高。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現了全控型的功率開(kāi)關(guān)器件，其中有可關(guān)斷晶體管（GTO）、電力場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）、金屬柵雙極性晶體管IGBT模塊、集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）及近年新開(kāi)發(fā)的電子注入增強柵晶體管（IEGT）〔7〕。隨著(zhù)這些功率器件性能的不斷提高，相應的無(wú)刷電動(dòng)機的驅動(dòng)電路也獲得了飛速發(fā)展。目前，全控型開(kāi)關(guān)器件正在逐漸取代線(xiàn)路復雜、體積龐大、功能指標低的普通晶閘管，驅動(dòng)電路已從線(xiàn)性放大狀態(tài)轉換為脈寬調制的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相應的電路組成也由功率管分立電路轉成模塊化集成電路，為驅動(dòng)電路實(shí)現智能化、高頻化、小型化創(chuàng )造了條件。
2．3 轉子位置檢測電路
永磁無(wú)刷電動(dòng)機是一閉環(huán)的機電一體化系統，它是通過(guò)轉子磁極位置信號作為電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路的換相信號，因此，準確檢測轉子位置，并根據轉子位置及時(shí)對功率器件進(jìn)行切換，是無(wú)刷直流電動(dòng)機正常運行的關(guān)鍵。
用位置傳感器來(lái)作為轉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子的軸上，實(shí)現轉子位置的實(shí)時(shí)檢測。最早的位置傳感器是磁電式的，既笨重又復雜，已被淘汰；目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應用于無(wú)刷直流電動(dòng)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(wú)刷直流電動(dòng)機的重量和結構尺寸，不利于電機的小型化；旋轉時(shí)傳感器難免有磨損，且不易維護；同時(shí)，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(xiàn)太多，容易引入干擾信號；由于是硬件采集信號，更降低了系統的可*性。為適應無(wú)刷電動(dòng)機的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)位置傳感器應運而生，它一般利用電樞繞組的感應反電動(dòng)勢來(lái)間接獲得轉子磁極位置，與直接檢測法相比，省去了位置傳感器，簡(jiǎn)化了電動(dòng)機本體結構，取得了良好的效果，并得到了廣泛的應用。但對于*反電動(dòng)勢進(jìn)行位置檢測的無(wú)位置傳感器無(wú)刷電動(dòng)機，由于靜止時(shí)不產(chǎn)生反電動(dòng)勢，因而如何順利啟動(dòng)是該電機需要解決的問(wèn)題。
近年，有人提出了一種新的無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電動(dòng)機，它不是利用反電動(dòng)勢來(lái)檢測轉子位置，而是通過(guò)貼于轉子表面的非磁性導電材料，利用定子繞組高頻開(kāi)關(guān)工作時(shí)非磁性材料上的渦流效應，使開(kāi)路相電壓的大小隨轉子位置而變化，從而可通過(guò)檢測開(kāi)路相電壓來(lái)判斷轉子位置，這種無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電動(dòng)機克服了一般無(wú)位置無(wú)刷電動(dòng)機的啟動(dòng)和低速運行問(wèn)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(wèn)題
3．1 轉矩脈動(dòng)
目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機存在的最主要的問(wèn)題就是存在轉矩脈動(dòng)。由于轉矩存在脈動(dòng)，使得無(wú)刷直流電動(dòng)機在交流伺服系統中的應用受到了限制，尤其是在直接驅動(dòng)應用的場(chǎng)合，轉矩脈動(dòng)使得電機速度控制特性惡化。尤其是用于視聽(tīng)設備、電影機械、計算機中的無(wú)刷直流電動(dòng)機，更要求運行平穩、沒(méi)有噪聲。因而抑制或消除轉矩脈動(dòng)成為提高伺服系統性能的關(guān)鍵。
轉矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有：齒槽效應和磁通畸變引起的轉矩脈動(dòng)；諧波引起的轉矩脈動(dòng)；由于電樞等效電感的影響，由換相電流引起的轉矩脈動(dòng)。目前，各高校以及科研機構對轉矩脈動(dòng)問(wèn)題展開(kāi)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矩脈動(dòng)的方法，從不同程度上提高了無(wú)刷電動(dòng)機的性能。但是這些研究均是在原有結構、方案上提出了一些削弱或補償的方法，沒(méi)有從原理上或者根本上消除轉矩的脈動(dòng)。因而轉矩的脈動(dòng)還有待于進(jìn)一步的研究。
3．2 無(wú)位置傳感器的轉子位置檢測
無(wú)位置傳感器轉子位置檢測的方法主要有：反電動(dòng)勢法、續流二極管法、電感法和狀態(tài)觀(guān)測法。其中反電動(dòng)勢法是最常見(jiàn)和應用最廣泛的方法。但該方法是在忽略電樞反應的基礎上的，在原理上就存在誤差，對于大功率無(wú)刷電動(dòng)機，電樞反應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(dòng)和低速時(shí)，反電動(dòng)勢為零或很小，很難通過(guò)反電動(dòng)勢來(lái)檢測轉子位置，無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電動(dòng)機存在啟動(dòng)問(wèn)題［9］。因此，如何在大功率無(wú)刷電動(dòng)機中補償反電動(dòng)勢法造成的轉子位置信號的誤差，以及如何克服反電動(dòng)勢法中電動(dòng)機的啟動(dòng)問(wèn)題，是急需解決的。對于啟動(dòng)問(wèn)題，一般采用先用其他方法啟動(dòng)之后再切換到無(wú)位置傳感器的運行方法。
4 無(wú)刷直流電動(dòng)機的發(fā)展方向
隨著(zhù)電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，位置檢測可以通過(guò)芯片配合適當的算法來(lái)實(shí)現。高速微處理器和DSP器件以及專(zhuān)用的控制芯片的出現，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(lái)在無(wú)刷電機上實(shí)現無(wú)傳感器控制［10］。采用DSP實(shí)現無(wú)位置傳感器控制成為研究的熱點(diǎn)，低成本DSP無(wú)位置傳感器無(wú)刷電動(dòng)機，成為無(wú)刷直流電動(dòng)機的發(fā)展方向。
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