夏長亮 方紅偉

（1．天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室 天津 300387 2．天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 天津 300072）

1 引言

當(dāng)前，節(jié)能減排是我國經(jīng)濟與能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路，這將大大助推永磁電機在我國的發(fā)展和應(yīng)用。作為永磁電機中的重要成員，無刷直流電機也必將借助我國是世界上最大的稀土儲藏國這一先天優(yōu)勢，為我國高效節(jié)能電機系統(tǒng)的構(gòu)建和工業(yè)生產(chǎn)的低碳化做出重要貢獻。

無刷直流電機是指具有串勵直流電機起動特性和并勵直流電機調(diào)速特性的梯形波/方波直流電機，其基本結(jié)構(gòu)由電機本體、功率驅(qū)動電路及位置傳感器三者組成[1]。無刷直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、出力大和效率高等特點。隨著電機技術(shù)、電力電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、控制理論及傳感器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無刷直流電機的一般控制技術(shù)已日趨成熟，相關(guān)生產(chǎn)制造工藝和通用技術(shù)也均規(guī)范化，并形成了GJB1983—1984、GB/T21418—2008等一系列標準。同時，其電機優(yōu)化設(shè)計、節(jié)能型驅(qū)動、轉(zhuǎn)矩波動抑制、無位置傳感器控制、弱磁調(diào)速等技術(shù)難題均得到了很好的研究和解決[2-9]。目前，無刷直流電機已在國防、機器人、航空航天、軌道交通、精密機床、汽車電子、家用電器、辦公自動化、以及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[10-12]。

本文首先介紹了無刷直流電機的基本工作原理，比較了各種驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，然后對該類電機尚未完全解決的轉(zhuǎn)矩波動抑制、無位置傳感器控制和弱磁調(diào)速等關(guān)鍵問題進行了論述，最后對該類高效電機的應(yīng)用場合進行了總結(jié)，并對其發(fā)展趨勢進行了探討。

2 無刷直流電機基本結(jié)構(gòu)與工作特點

無刷直流電機為了實現(xiàn)其無機械接觸式換相，取消了電刷，并將電樞繞組和永磁磁鋼分別放在定子和轉(zhuǎn)子側(cè)，成為“倒裝式直流電機”結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制，無刷直流電機必須具有由轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器等共同構(gòu)成的換相裝置，如圖1所示。

圖1 無刷直流電機原理框圖Fig.1 Principle diagram of BLDC motor

無刷直流電機的定子結(jié)構(gòu)與普通同步電機或感應(yīng)電機相似。對于常用的三相無刷直流電機，其電樞繞組可以Y聯(lián)結(jié)或△聯(lián)結(jié)，但考慮到系統(tǒng)的性能和成本，目前應(yīng)用較多的是電樞繞組Y聯(lián)結(jié)、三相對稱且無中性點引出的電機。無刷直流電機的繞組形式主要有整距集中繞組、整距分布式繞組、短距分布式繞組等[5,13]。繞組形式的不同將影響電機的反電動勢波形，進而影響到電機的性能。一般來講，整距集中繞組能得到較好的梯形反電動勢波形，短距繞組則有利于削弱轉(zhuǎn)矩波動。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種典型形式：表面粘貼式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。永磁體材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷和釹鐵硼等，一些新的復(fù)合磁性材料也正逐漸被應(yīng)用到無刷直流電機中來[16]。

無刷直流電機常用的位置傳感器有電磁式、光電式和磁敏式等。Hall傳感器為磁敏式位置傳感器的一種，其體積小、使用方便且價格低廉，在無刷直流電機控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。特殊的集成電路則可將Hall傳感器等位置信號直接變成數(shù)字信號，便于無刷直流電機控制的數(shù)字化與智能化實現(xiàn)。

3 無刷直流電機驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)

3.1 半橋式

常見的三相半橋式驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 半橋式驅(qū)動電路Fig.2 Half-bridge driving circuit

三相半橋式驅(qū)動方式下的無刷直流電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是驅(qū)動元件個數(shù)少、成本低、控制簡單，但其轉(zhuǎn)矩波動較大、電機繞組利用率低，一個周期內(nèi)每相繞組只有 1/3周期通電，因而在實際應(yīng)用中較少采用。

3.2 全橋式

圖3為三相全橋式驅(qū)動電路示意圖，其常見導(dǎo)通方式又可分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通方式。

圖3 全橋式驅(qū)動電路Fig.3 Full-bridge driving circuit

3.2.1 兩兩導(dǎo)通方式

兩兩導(dǎo)通方式指每一時刻電機都有兩相導(dǎo)通，第三相懸空，各相的導(dǎo)通順序與時間由轉(zhuǎn)子位置信號決定。該方式下，正常工作時，每一時刻上下橋臂都分別僅有一只功率器件導(dǎo)通。即使在換相時刻，也不容易導(dǎo)致同一橋的上、下橋臂同時導(dǎo)通。電機每經(jīng)過一次換相，合成轉(zhuǎn)矩的方向轉(zhuǎn)過60° 電角度，一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩要經(jīng)歷六次方向變換，使得轉(zhuǎn)矩波動比三相半橋式驅(qū)動電路要小而緩。

3.2.2 三三導(dǎo)通方式

三三導(dǎo)通方式指每一瞬間逆變橋均有三只功率器件同時通電。同兩兩導(dǎo)通方式相比，也是每隔1/6周期（60○電角度）換相一次，其硬件原理亦完全相同。只是功率器件的導(dǎo)通次序和導(dǎo)通時間不同，此時每只功率器件在一個周期內(nèi)導(dǎo)通180○電角度。

三三導(dǎo)通方式可更進一步提高繞組的利用率，減少轉(zhuǎn)矩波動，但是三三導(dǎo)通方式在換相時刻容易導(dǎo)致同一橋的上、下橋臂同時導(dǎo)通。

對于△聯(lián)結(jié)的三相全橋式無刷直流電機的控制，它和Y聯(lián)結(jié)的區(qū)別甚少，只需將△聯(lián)結(jié)電機中的A、B相繞組的連接處對應(yīng)于Y聯(lián)結(jié)電機中的A，△聯(lián)結(jié)電機中B、C相繞組的連接處對應(yīng)于Y聯(lián)結(jié)電機中的B，△聯(lián)結(jié)電機中的 C、A相繞組的連接處對應(yīng)于Y聯(lián)結(jié)電機中的C，而無需改變?nèi)魏纹渌?、硬件設(shè)計。

3.3 C-Dump式

在一些特定的無刷直流電機應(yīng)用場合，一方面要實現(xiàn)較好的控制性能，另一方面又要求系統(tǒng)成本低、安裝尺寸小等。對此，許多學(xué)者提出了一種介于半橋式控制和全橋式控制間的折衷控制方法，即C-Dump式驅(qū)動電路[15]。對于三相無刷直流電機，它只需4個開關(guān)元器件，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)也可實現(xiàn)電機的四象限運行。

圖4 C-Dump式驅(qū)動電路Fig.4 C-Dump driving circuit

與全橋式驅(qū)動電路相比，C-Dump驅(qū)動電路具有較少的功率器件和較小的能量損耗，但增加了 1個電感和1個電容，換相轉(zhuǎn)矩波動也比全橋式大。

3.4 H橋式

H型功率逆變橋如圖5所示，其特點是每個繞組采用1個H橋獨立控制，可靈活改變繞組電流的大小和方向，易于實現(xiàn)電機的四象限控制[16]。

圖5 H橋式驅(qū)動電路Fig.5 H-bridge driving circuit

因為功率器件數(shù)量等于電機相數(shù)的4倍，所以H型功率逆變橋一般只在單相或兩相電機控制中使用。同時，為防止同相上、下橋功率器件同時導(dǎo)通而造成直通短路現(xiàn)象，須對驅(qū)動信號進行死區(qū)延時控制，死區(qū)時間要大于功率器件的關(guān)斷時間。

3.5 四開關(guān)式

四開關(guān)式驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中四開關(guān)三相拓撲結(jié)構(gòu)由兩個電容代替六開關(guān)三相逆變橋的一組橋路，電機C相繞組接在串聯(lián)電容的中點。這樣，電路節(jié)省了兩個功率器件，一定程度上降低了系統(tǒng)的成本，減小了由器件引起的能量損耗，但會增加控制的復(fù)雜性[17,18]。

圖6 四開關(guān)式驅(qū)動電路Fig.6 Four-switch driving circuit

4 無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動抑制

根據(jù)產(chǎn)生機理的不同，無刷直流電機轉(zhuǎn)矩波動主要分為齒槽轉(zhuǎn)矩波動和換相轉(zhuǎn)矩波動兩類。相比于永磁同步電機，其轉(zhuǎn)矩波動較大，一定程度上制約了它在高精度、高穩(wěn)定性場合的應(yīng)用。為此，許多專家學(xué)者一直致力于無刷直流電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動抑制的研究，并取得了豐碩的成果[19-25]。

4.1 齒槽轉(zhuǎn)矩波動抑制

齒槽轉(zhuǎn)矩是由于定轉(zhuǎn)子齒槽的存在，不同位置磁路的磁阻存在差異，氣隙磁場在空間分布上出現(xiàn)鋸齒形波動，進而造成電機反電動勢波形產(chǎn)生畸變，引起的轉(zhuǎn)矩波動。減小齒槽轉(zhuǎn)矩是無刷直流電機設(shè)計時需解決的難題之一。采用CAD、CAM等技術(shù)，對電機結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化與改進，可有效減小齒槽轉(zhuǎn)矩。目前抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法主要有斜槽/斜極法、磁性槽楔法、減小槽口寬度法、輔助槽/輔助齒法、分數(shù)槽法、變極弧寬度和變磁極位置法等[5]。文獻[25]將電機設(shè)計方案的優(yōu)化歸結(jié)為多目標函數(shù)的非線性規(guī)劃問題，利用模糊小生境遺傳算法對無刷直流電機進行了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計得到的電機具有電磁轉(zhuǎn)矩提升速度快和轉(zhuǎn)矩波動小等特點。圖7是對應(yīng)的具體優(yōu)化流程圖。

4.2 換相轉(zhuǎn)矩波動抑制

無刷直流電機運行時，一般其導(dǎo)通狀態(tài)持續(xù)時間較長，決定了電機穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩的大??；換相過程持續(xù)時間雖較短，但也影響著電機的性能。換相暫態(tài)過程復(fù)雜，時間短暫，而且轉(zhuǎn)速和負載越大，換相轉(zhuǎn)矩波動越明顯。采用傳統(tǒng)的同時開通導(dǎo)通相、關(guān)閉關(guān)斷相的換相方法，在很多情況下，無論如何選擇換相時間，都只能在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩波動，而不能達到理想的效果。

圖7 基于模糊小生境遺傳算法的電機優(yōu)化設(shè)計流程Fig.7 Flowchart of motor design optimization based on fuzzy niche genetic algorithm

4.2.1 分時換相策略分析

分時換相策略則分別控制導(dǎo)通相開通和關(guān)斷相斷開的時間[1]。

（1）完全關(guān)斷后開通的換相方式：先關(guān)閉待關(guān)閉相（t=tcut），待其電流衰減為零（t=toff），被完全斷開后再開通待開通相（t=ton），此時tcut＜toff＜ton。

（2）先關(guān)閉后開通的換相方式：先關(guān)閉待關(guān)閉相，在其衰減為零前開通待開通相，此時tcut＜ton＜toff。

（3）先開通再關(guān)閉的換相方式：先開通待開通相，再關(guān)閉待關(guān)閉相，此時ton＜tcut＜toff。

實際證明，采取先開通后關(guān)閉的控制策略可抵消反電勢的影響，減小換相轉(zhuǎn)矩波動。

4.2.2 基于自抗擾控制技術(shù)的換相轉(zhuǎn)矩波動抑制

結(jié)合模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自抗擾和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)，對無刷直流電機的換相轉(zhuǎn)矩波動進行抑制是當(dāng)前的研究熱點之一[19-27]。文獻[27]根據(jù)無刷直流電機特性及自抗擾控制器（ADRC）設(shè)計原則，將電機等效為由兩個非線性系統(tǒng)構(gòu)成的積分串聯(lián)型對象，設(shè)計兩個一階自抗擾控制器，實現(xiàn)對電機的雙閉環(huán)控制，如圖8所示。

圖8 抑制轉(zhuǎn)矩波動的自抗擾控制框圖Fig.8 Scheme of the ADRC to reduce torque ripple

在圖8的自抗擾控制器中，系統(tǒng)的外擾和內(nèi)擾處于同等地位，而擴張狀態(tài)觀測器能夠快速地跟蹤電磁轉(zhuǎn)矩輸出，并給出轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的實時作用值。對于給定的轉(zhuǎn)矩參考值，轉(zhuǎn)矩波動作為系統(tǒng)內(nèi)擾，可由擴張狀態(tài)觀測器實時估計，并通過調(diào)整逆變器電壓輸出加以補償，從而保證轉(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)。

5 無刷直流電機無位置傳感器控制

位置傳感器的使用，簡化了無刷直流電機的控制復(fù)雜性，但其存在可能增大電機系統(tǒng)的體積與轉(zhuǎn)動慣量、增加系統(tǒng)引線和降低系統(tǒng)可靠性，因此一定程度上也限制了無刷直流電機在空間有限等場合中的應(yīng)用。為解決此問題，反電動勢法、磁鏈法、電感法及人工智能法等無位置傳感器控制方法被提出并逐漸應(yīng)用到了無刷直流電機的控制中[28-36]。

5.1 反電動勢法

在各種無位置傳感器控制方法中，反電動勢法是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測方法。該方法將檢測獲得的反電動勢過零點信號延遲30°電角度，得到六個離散的轉(zhuǎn)子位置信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，進而實現(xiàn)無刷直流電機的無位置傳感器控制。

反電動勢法的關(guān)鍵是如何準確檢測反電動勢過零點，國內(nèi)外眾多學(xué)者對反電動勢法已進行了深入研究，并提出了端電壓檢測法、反電動勢積分法、反電動勢三次諧波法、續(xù)流二極管法以及線反電動勢法等多種檢測方式。

在實際應(yīng)用中，需要注意在端電壓檢測方法中，引入相應(yīng)的相移補償措施，解決因濾波等環(huán)節(jié)引起的端電壓相位延遲問題。反電動勢積分法中的門限值設(shè)置問題、反電動勢積分法和反電動勢三次諧波法中的積分累計誤差等問題也都需要重點考慮。

5.2 磁鏈法

不同于反電動勢法，磁鏈法是通過直接估計磁鏈以獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。由測量的電壓、電流獲得電機磁鏈，若轉(zhuǎn)子初始位置、電機參數(shù)、磁鏈與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系已知，則可由估計得到的電機磁鏈判斷出轉(zhuǎn)子位置。

采用磁鏈法控制電機時，應(yīng)首先確定轉(zhuǎn)子起動初始位置，以獲得積分過程所必需的磁鏈初始值信息。磁鏈法計算量較大，在低速運行時會產(chǎn)生誤差累計且易受電機參數(shù)變化影響。

5.3 電感法

電感法的基本原理是：首先在繞組中施加方波電壓脈沖并檢測其產(chǎn)生的電流幅值，然后比較電流幅值得知電感差異，最后根據(jù)電感與轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系判斷轉(zhuǎn)子位置。

電感法對于電機靜止時轉(zhuǎn)子初始位置檢測效果較好，但由于無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置不同時電感差異較小，因此該方法依賴于高精度的電流檢測。

5.4 人工智能法

5.5 無位置傳感器控制下的起動方法

目前，無刷直流電機無位置傳感器控制多采用反電動勢法，但當(dāng)電機靜止或轉(zhuǎn)速很低時，反電勢為零或很小而不易檢測，因而難以實現(xiàn)電機的自起動。針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種起動方法，主要有：三段式起動法、預(yù)定位起動法、升頻升壓同步起動法、高頻信號注入法、電壓插值起動法、智能起動法等[35,36]。

6 弱磁調(diào)速

無刷直流電機在基速以下運行時，經(jīng)?？赏ㄟ^各種形式的雙閉環(huán)控制策略，并輔以PWM和滯環(huán)控制等技術(shù)，獲取對系統(tǒng)的良好控制效果[41]。而在基速以上運行時（即弱磁控制狀態(tài)），如電動汽車的恒功率運行，則需進一步采用相電流提前導(dǎo)通、輔助勵磁、變繞組接線方式等手段來實現(xiàn)[5,33,42,43]。相電流超前導(dǎo)通方法原理如圖9所示，圖9a給出了相電流超前導(dǎo)通模式下的相電流i和正常導(dǎo)通模式下的相電流i0以及相反電動勢e之間的相位關(guān)系。圖9b為不同α角下電機在基速以上的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性變化趨勢圖。

圖9 相電流超前導(dǎo)通原理示意圖Fig.9 Principle for advanced conduction of phase current

實際應(yīng)用中，由于梯形氣隙磁通分布的斜邊區(qū)域有限，所以電流超前導(dǎo)通方式的調(diào)速范圍擴展能力不如電勵磁直流電機的磁場調(diào)節(jié)方式。同時，電流有效值隨負載變化的情況在高速時受超前導(dǎo)通角的影響較大，一般超前導(dǎo)通角越大，電流有效值越大。較大的相電流會產(chǎn)生較大的平均轉(zhuǎn)矩，所以相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速也較高?？紤]到電機運行對連續(xù)工作電流的限制，超前導(dǎo)通角一般不宜超過30o電角度。

7 無刷直流電機的應(yīng)用與發(fā)展

7.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

7.1.1 汽車用無刷直流電機

一輛汽車內(nèi)部通常包括幾十到上百臺電機，隨著汽車向節(jié)能和環(huán)保方向的快速發(fā)展，無刷直流電機在汽車中具有很好的應(yīng)用前景。電機除了可作為汽車驅(qū)動的核心部件外，還可用在汽車空調(diào)、雨刮器、電動車門、安全氣囊、電動座椅等驅(qū)動上。同時，在純電動汽車、混合動力汽車等驅(qū)動中，無刷直流電機也得到了廣泛應(yīng)用。

7.1.2 航空航天用無刷直流電機

無刷直流電機在航空航天中的典型應(yīng)用有機械臂控制、陀螺儀與舵機驅(qū)動等，一般要求其具有良好的高速控制精度和動態(tài)響應(yīng)能力，所以相應(yīng)系統(tǒng)均通過閉環(huán)速度反饋進行控制，且大多采用先進控制算法。部分航空航天用無刷直流電機，如高速離心泵和高速攝像槍所用電機的轉(zhuǎn)速能達到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)，需考慮高速旋轉(zhuǎn)時對電機機械和電氣性能的特殊要求及其解決方法。另外，航空航天用電源的電壓等級和頻率大小也與通用電源區(qū)別較大，因此對應(yīng)的電機控制系統(tǒng)還須考慮整流和變頻驅(qū)動等電路的特殊性，如冗余、可靠性等問題。

7.1.3 無刷直流電機在家用電器中的應(yīng)用

近年來，家用電器電子驅(qū)動電機以每年約30%的增幅發(fā)展，家用電器正朝著節(jié)能、低噪聲、智能化和高可靠性方向發(fā)展。

“家庭農(nóng)場、農(nóng)民合作社等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體獲得財政資金后，需向貧困戶發(fā)放股權(quán)證?！笔h財政局田晟副局長說，“根據(jù)《實施方案》，農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體、農(nóng)村集體經(jīng)濟組織和貧困戶的持股比例，分別占財政補助資金的50%、10%、40%，項目存續(xù)期為5年。在這期間，農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體需每年按持股金額的8%給貧困戶實行固定分紅，同時應(yīng)根據(jù)財政補助資金產(chǎn)生效益的40%，向農(nóng)村集體經(jīng)濟組織和貧困戶實行效益分紅。若農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體因財務(wù)制度不健全等原因?qū)е履杲K效益無法核實的，也應(yīng)按不低于持股金額的4%進行效益分紅。

變頻空調(diào)的興起使得無刷直流電機在空調(diào)驅(qū)動中的市場份額正逐步提高。為了節(jié)約成本和提高變頻空調(diào)壓縮機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，空調(diào)壓縮機中宜采用無位置傳感器控制方式，實際證明采用無位置傳感器控制后，不但系統(tǒng)體積得到減小，而且系統(tǒng)效率也得到了提高。

盤式無刷直流電機（單定子或雙定子結(jié)構(gòu)）在VCD、DVD等家用電器的主軸驅(qū)動中也應(yīng)用廣泛。

電動自行車用無刷直流電機大多采用多極、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其技術(shù)更是成熟。納米技術(shù)的使用，將進一步促進電動自行車用無刷直流電機的發(fā)展，從效率、舒適度和穩(wěn)定性等各方面提高電動自行車的整體性能。

同時，吸塵器、攪拌機、電吹風(fēng)機、攝像機和家用電風(fēng)扇等其他家用電器也正在逐步采用無刷直流電機代替先前使用較多的直流電機、單相異步電機和變壓變頻（VVVF）驅(qū)動式異步電機。

7.1.4 無刷直流電機在辦公自動化領(lǐng)域的應(yīng)用

計算機外圍設(shè)備和辦公自動化設(shè)備用電機，絕大部分為先進制造技術(shù)和新興微電子技術(shù)相結(jié)合的高檔精密電機，是技術(shù)密集化產(chǎn)品。在硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器和軟盤驅(qū)動器用的主軸電機，以及數(shù)碼相機、激光打印機、復(fù)印機、傳真機、錄音機、LD影碟機和碎紙機等辦公設(shè)備的驅(qū)動中，無刷直流電機已有很好的應(yīng)用。

7.1.5 無刷直流電機在其他工業(yè)上的應(yīng)用

目前，在民用和軍用的機器人和機械臂驅(qū)動等應(yīng)用中，無刷直流電機所占比例較大。大功率的無刷直流電機在低速、環(huán)境惡劣和有一定調(diào)速性能要求的場合也有著很好的應(yīng)用前景，如無齒輪曳引機電梯驅(qū)動、抽水蓄能、鋼廠軋機傳動等，具有調(diào)速動態(tài)響應(yīng)快、跟蹤誤差小、靜差率小和調(diào)速范圍寬等特點。除以上所涉及的應(yīng)用場合，已經(jīng)實用化的無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域還包括醫(yī)療器械、紡織機械、印刷機械和數(shù)控機床等行業(yè)。

7.2 發(fā)展趨勢

7.2.1 小型化與集成化

微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展將使電機控制系統(tǒng)朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發(fā)展，可使無刷直流電機控制系統(tǒng)更加簡單而可靠?？刂破髋c電機二者融為一體，使無刷直流電機與電子技術(shù)結(jié)合得更緊密，產(chǎn)品的附加值更高，整個控制系統(tǒng)也將朝低成本、小型化、集成化方向發(fā)展。

7.2.2 控制器全數(shù)字化

高速微處理器及高密度可編程邏輯器件的出現(xiàn)，為電機控制性能的提高提供了可靠的保證。采用單片機或 DSP等芯片來實現(xiàn)無刷直流電機的智能控制、間接位置檢測，并替代傳統(tǒng)的PID模擬電路、信號處理電路和邏輯判斷電路等，實現(xiàn)控制器的接口通用化和數(shù)字化是今后的發(fā)展趨勢之一，這將進一步減少系統(tǒng)硬件電路的體積、提高系統(tǒng)的可靠性和效率。

7.2.3 綠色PWM控制及其高效化

低噪聲和高效率是電機控制系統(tǒng)追求的兩大目標。為了利于人的身體健康，無刷直流電機宜使控制的開關(guān)頻率達幾十kHz以上，從而改善電磁噪聲和電流波形。同時，利用新型功率變換器、軟開關(guān)控制等來降低開關(guān)損耗及其對電源的污染率、增加開關(guān)壽命、并保證系統(tǒng)效率不變或提高的前提下，提高驅(qū)動電路的開關(guān)頻率可實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)的綠色PWM控制[21,44]。而在器件開關(guān)頻率受限條件下，則采用新的調(diào)制模式也是未來研究的方向之一。

7.2.4 結(jié)構(gòu)新型化

目前，市場上已涌現(xiàn)出多種新型無刷直流電機：無槽式與無鐵心式電機、軸向磁場盤式電機、無刷直流力矩電機、無刷直流直線電機、無刷直流有限轉(zhuǎn)角電機、低慣量無刷直流電機、無刷直流平面電機和無刷直流球形電機等[45-48]。隨著新型導(dǎo)電、導(dǎo)磁和絕緣材料的出現(xiàn)，從本體上對電機進行優(yōu)化設(shè)計以提高無刷直流電機的性能，將是今后發(fā)展的一個重要方向。同時，與材料科學(xué)密不可分的粘結(jié)永磁、永磁材料定向和充磁等加工技術(shù)也亟需發(fā)展。

7.2.5 控制先進化

無刷直流電機性能的改善可以通過電機本體優(yōu)化設(shè)計及電力電子裝置的控制來實現(xiàn)，也可利用各種先進的控制策略來完成。無刷直流電機控制系統(tǒng)是典型的非線性、多變量耦合系統(tǒng)，基于現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的非線性控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制等多種先進控制策略在無刷直流電機中的應(yīng)用將進一步提高控制系統(tǒng)的性能。特別地，在單片機或DSP處理速度一定的情況下，應(yīng)著力于各種控制算法的實用化研究，從而全面推進無刷直流電機控制系統(tǒng)朝小型化、數(shù)字化、智能化和高效節(jié)能的方向發(fā)展。

8 結(jié)論

本文對無刷直流電機控制中的關(guān)鍵技術(shù)進行了論述，剖析了該電機在設(shè)計與控制中存在的若干問題。對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，寬速度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的無位置傳感器控制方式的標準化、電機控制器的智能化及其與電機本體的一體化設(shè)計、低成本節(jié)能型驅(qū)動器的開發(fā)等將是未來研究的重點。同時，無刷直流電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、弱磁控制的擴速能力、轉(zhuǎn)矩波動的抑制等仍是需要繼續(xù)深入研究的內(nèi)容。另外，如何采用新型的永磁材料代替稀土永磁，既設(shè)計出高效率的永磁無刷直流電機，又降低其對稀土永磁材料的依賴將是今后急需解決的重要課題。所有這些問題的解決，將進一步推進無刷直流電機在汽車、艦船、家用電器等行業(yè)以及國防和航空航天領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，對我國節(jié)能降耗戰(zhàn)略的實現(xiàn)具有重要意義。

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