摘要：隨著我國對新能源產(chǎn)業(yè)的加大投入，對耗能企業(yè)節(jié)能減排的號召，永磁無刷直流電機憑借其快速、可控、可靠、質(zhì)輕體積小、節(jié)能、效率高、經(jīng)濟實用等優(yōu)勢成為能源產(chǎn)業(yè)最為關(guān)鍵的一環(huán)，永磁無刷直流電機得到了廣泛應(yīng)用，并且發(fā)展前景良好，發(fā)展空間大?；谏鲜鲈蛟黾訉τ来艧o刷直流電機控制系統(tǒng)的研發(fā)力度和投入勢在必行，并且這一研究成果的出現(xiàn)將帶來不可估量的應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益。本文通過從永磁無刷直流電機的研究背景、研究意義、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計等不同的技術(shù)層面進行分析，對永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的研發(fā)進行了深入探究。

關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機;控制系統(tǒng);軟硬件設(shè)計

0 ?引言

隨著人類工業(yè)社會的迅速發(fā)展，能源危機是21世紀各個國家所面臨的重大危機，也是要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所必須解決的難題。永磁無刷直流電機的發(fā)展歷史可以追溯到上世紀四十年代，直到八十年代初期，在釹鐵硼稀土這一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生產(chǎn)力迅速提升，制造投入減小的影響，永磁無刷直流電機行業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展。

近三十年來，隨著科學(xué)研究的深入，永磁體性能得到了躍進式的提升，相應(yīng)的電力電子器件的完善和蓬勃發(fā)展也促進了這一行業(yè)的迅猛發(fā)展。永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)研究方向與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、電機集成技術(shù)和微機技術(shù)等學(xué)科密切相關(guān)，相輔相成?？茖W(xué)家們通過對其研究背景、研究意義、結(jié)構(gòu)組成、工作原理、數(shù)學(xué)模型、硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計等方面的深入研究，使得永磁無刷直流電機在擁有良好調(diào)速性能的情況下，機械換向和電刷等歷史研究中出現(xiàn)的難點獲得了解決，目前永磁無刷直流電機的用途遍布各行各業(yè)，小到家用電器，大到航空航天，都有永磁無刷直流電機的身影，發(fā)展前景不可估量。

1 ?研究背景與意義

從上世紀四十年代至今，永磁無刷直流電機的發(fā)展在實際應(yīng)用上與永磁材料的突破性研究，生產(chǎn)力迅速提升，制造投入減小，電力電子器件的迅猛發(fā)展息息相關(guān)，在理論研究上與現(xiàn)代電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、電機集成技術(shù)和微機技術(shù)等學(xué)科的深入研究息息相關(guān)。由于其所具有的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高速度、高性能、微型化和數(shù)字化等特點決定了該行業(yè)寬廣的發(fā)展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。目前永磁無刷直流電機在各行各業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用，小到家用電器，大到航空航天，都有永磁無刷直流電機的身影。

基于上述原因，對永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)進行合理的、科學(xué)的、系統(tǒng)的研究探索是非常重要且必要的，這是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和機電一體化所提出來的必須進行的挑戰(zhàn)，這一研究具有深遠的理論意義和實際應(yīng)用價值，并且會給整個社會和相關(guān)行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

2 ?永磁無刷直流電機工作原理

無刷直流電機在市場上流通最為廣泛，應(yīng)用最為全面的類型主要是以下兩種：方波電流驅(qū)動的電機，也就是無刷直流電機;正弦波電流驅(qū)動的電機，也就是永磁同步電機。本文主要進行探索的是以方波驅(qū)動的電機，也就是無刷直流電機。

2.1 永磁無刷直流電機結(jié)構(gòu)

研究永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的第一步是要了解永磁無刷直流電機的結(jié)構(gòu)，它的器件構(gòu)成主要包含電機本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路。永磁無刷直流電機主要是放定子繞組的定子和嵌入永磁磁體的轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。

2.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁無刷直流電動機按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的安放方式進行分類分為埋入式永磁體、表面貼裝式永磁體、內(nèi)置式永磁體三種。表面貼裝式永磁體結(jié)構(gòu)最為常用，內(nèi)置式永磁體結(jié)構(gòu)適用于電機的弱磁控制，但是漏磁現(xiàn)象比較嚴重。

2.1.2 定子結(jié)構(gòu)

定子結(jié)構(gòu)的主要功能是形成良好的磁路，便于多相繞組的安放。定子結(jié)構(gòu)包括定子鐵芯和定子繞組兩部分，可以分為以下三大類：分數(shù)槽結(jié)構(gòu)、無齒槽結(jié)構(gòu)和整數(shù)槽結(jié)構(gòu)。分數(shù)槽結(jié)構(gòu)的定子擁有繞組端部體積小，繞組利用靈高，但是永磁體的利用率相對較低。無齒槽結(jié)構(gòu)的定子無法有效釋放繞組內(nèi)部熱量，導(dǎo)致溫度高，結(jié)構(gòu)的設(shè)計上導(dǎo)致需要使用更厚的永磁體，成本投入

過高。

2.2 永磁無刷直流電機工作原理

研究有刷直流電機的工作原理是探索永磁式永磁無刷直流電機的工作原理的基礎(chǔ)，首先需要了解有刷直流電機的定子永磁體作用是形成磁場，產(chǎn)生的磁場用以驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)期間，換向器進行換向，這樣才可以保持繞組在磁場中受到方向的一致的力。而永磁式無刷直流電機的工作原理則是在有刷直流電機工作原理的基礎(chǔ)上，進行深入發(fā)掘和優(yōu)化，轉(zhuǎn)子繞組被永磁體替換，當由永磁體組成的轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)期間，便可以形成旋轉(zhuǎn)磁場。而電子換向器作用于定子繞組，使磁場跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進一步令轉(zhuǎn)子受到大小和方向一致的力。

3 ?控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

在選擇控制策略時要考慮到電機本體和負載的慣性導(dǎo)致的系統(tǒng)延遲問題，轉(zhuǎn)子電樞反應(yīng)問題，磁路飽和現(xiàn)象，無刷直流電機的強非線性問題以及受到多變量影響的的強干擾問題等。在控制策略中被控量有速度和轉(zhuǎn)矩。目前行業(yè)內(nèi)受到認可，應(yīng)用廣泛并且控制效果良好的控制理論有以下理論：經(jīng)典控制理論、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等。

3.1 硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計

硬件系統(tǒng)的電路設(shè)計要求首先應(yīng)該實現(xiàn)所有電氣信號的采集和轉(zhuǎn)換，將模擬信號變成數(shù)字信號，其次要有過壓保護和過流保護，最后應(yīng)該考慮電機系統(tǒng)的散熱問題，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性，提高系統(tǒng)抗電磁干擾能力。為應(yīng)對這一系列要求所提出的挑戰(zhàn)，永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的軟硬件在結(jié)構(gòu)設(shè)計上通常如下：

永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括主電路和控制電路兩大部分。硬件系統(tǒng)主電路設(shè)計又分為主電路拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動模塊設(shè)計。永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的控制電路包括有主控芯片及其外圍電路、驅(qū)動隔離電路、霍爾位置和無傳感器檢測電路、電壓電流采樣電路、電源電路。

3.2 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的正常運行離不開硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的緊密配合，二者相輔相成。硬件電路是整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，相當于控制系統(tǒng)的身體，而軟件系統(tǒng)用于控制硬件系統(tǒng)工作，相當于控制系統(tǒng)的大腦，二者缺一不可。軟件系統(tǒng)的主程序包括以下幾個模塊：各系統(tǒng)的初始化，判斷各系統(tǒng)當前狀態(tài)（對狀態(tài)的標志位置進行掃描識別和判斷），通訊功能模塊和中斷循環(huán)模塊。

3.3 在新能源汽車中的應(yīng)用

新能源汽車的快速發(fā)展將是目前緩解資源緊張和環(huán)境污染問題的最為有效的辦法。與普通燃油汽車相比較，新能源汽車能夠極大的減少化石燃料的消耗，進一步降低目前人類所面臨的能源壓力，緩解電力系統(tǒng)的負荷。永磁無刷直流電機憑借其優(yōu)轉(zhuǎn)矩良、轉(zhuǎn)速特性良好的特點，可以更好的滿足新能源汽車對電機驅(qū)動系統(tǒng)需要的高性能控制指標這一要求。

新能源汽車的核心部件便是驅(qū)動電機及其控制器，因為只有擁有優(yōu)良的控制策略才會有優(yōu)良的控制性和舒適度。永磁無刷直流電機憑借其獨特的結(jié)構(gòu)組成，優(yōu)良的轉(zhuǎn)速控制特性成為新能源汽車電機控制系統(tǒng)的首選?，F(xiàn)階段新能源汽車按照驅(qū)動方式不同可以分為三大類，分別是純電驅(qū)動、混合動力驅(qū)動、燃料電池驅(qū)動。在新能源汽車的研發(fā)和制造過程中，動力系統(tǒng)是新能源汽車整車開發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容，動力系統(tǒng)由電機、電池、電控三大系統(tǒng)構(gòu)成，而電機系統(tǒng)在其中是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。也就意味著由驅(qū)動電機及其控制器組成的電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能是否優(yōu)異這將直接決定新能源汽車的性能。

首先，永磁無刷直流電機從能量損耗上看，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗;從機械結(jié)構(gòu)上看，它也沒有換向器和電刷等機械換向結(jié)構(gòu)，不易發(fā)生故障;它具有能量密度大，運行效率高、可靠性好、輸出扭矩大等優(yōu)點，是傳統(tǒng)電機無法實現(xiàn)的，因此永磁無刷直流電機受到國內(nèi)外新能源汽車領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其次，永磁無刷直流電機的控制技術(shù)和實現(xiàn)方式這是直接影響新能源汽車整體性能的關(guān)鍵因素，因此，永磁無刷直流電機控制器設(shè)計研究有著極為重要的研究價值、經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義。

目前，在新能源汽車行業(yè)內(nèi)，基于數(shù)字信號處理器和可編程邏輯門器件的無刷直流控制器使用場合有限，因為它目前存在的成本昂貴、電路設(shè)計的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能擴展性差等問題無法得到解決和改善。而使用控制芯片作為永磁無刷直流電機控制器的核心，與硬件電路設(shè)計和軟件算法配合使用的方式，憑借其低的功率消耗、實時反饋性能良好、處理速度快、接口多、功能豐富多樣化的優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用，用來實現(xiàn)新能源汽車性能的提升。實時通信、實時監(jiān)控當前電機工作狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定等特點極大的提升和改善了新能源汽車的行駛穩(wěn)定性及安全性，在新能源汽車研發(fā)和改進上起到至關(guān)重要的作用，永磁無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)在新能源汽車行業(yè)的廣泛推行將是大勢所趨，也是新能源汽車行業(yè)中調(diào)速控制系統(tǒng)發(fā)展的必然要求。

4 ?結(jié)語

永磁無刷直流電機和傳統(tǒng)的直流電機，交流電機進行對比可以發(fā)現(xiàn)，永磁無刷直流電機不僅僅兼具直流電機和交流電機的優(yōu)勢與長處，又彌補和填充了傳統(tǒng)電機的不足與缺陷。隨著科技不斷進步，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷研究與發(fā)展，稀土永磁材料的研發(fā)，技術(shù)生產(chǎn)力的飛速提升以及相關(guān)學(xué)科前沿的重大突破與成果的出現(xiàn)，永磁無刷直流電機的應(yīng)用范圍會更加廣闊，發(fā)展前景不可限量，帶來的經(jīng)濟效益也是無法估量的。除了傳統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)外，電動汽車的電機驅(qū)動這一新型發(fā)展領(lǐng)域，永磁無刷直流電機將憑借運行效率髙、調(diào)速范圍寬、功率密度大和輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)勢占據(jù)一席之地。

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作者簡介：鄧安彤（1991-），女，滿族，河北承德人，碩士研究生，畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，講師，研究方向為電機控制。