电动汽车无刷电机控制器的研究与应用.docx
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电动汽车无刷电机控制器的研究与应用
电动汽车无刷电机控制器的研究与应用
引言
汽车作为推动人类文明向前跃进的先导社会大工业的产物，在给人类生活带来便捷舒适的同时，对我们的自然生态环境污染以及恶化也有着难以推卸的责任，汽车排出污染物有HO、HC、NOx和微粒等，它们会对人类的身体健康造成危害；另外，汽车排出的CO：
虽然对人体的健康无害，但它会造成温室效应，破环大自然的生态平衡，对大气环境造成严重的影响。
使得环境污染指数一步一步地增加。
特别是在中国加入WTO后，汽车关税逐年下降，2006年7月降到25%，进口汽车的环保性具有很强的竞争力。
因此，新形势下的竞争对于汽车的环保性提出了更高的要求。
发展电动汽车，实现汽车工业的可持续发展，己经形成了共识。
此外研究表明，目前世界石油蕴藏量按现在的消耗量（消耗增量）仅可供使用50—70年，随着我国进入汽车消费普及期，汽车拥有量将迅速增加，能源紧张状况将日趋严峻。
近年来，石油价格猛涨。
石油与国家安全密切相关，其作为一种战略物质大量进口必然受制于人，该问题己引起各国的极大重视[1]。
鉴于资源和环保的原因，电动汽车这一概念再次出现在汽车行业当中，致使各企业都争相于研究并生产电动机。
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中，并且随着电子技术的发展和人们的需求而不断地发展着。
目前，各种类型的电动汽车包括以蓄电池驱动的BEV，以内燃机与电池混合驱动的HEV及以燃料电池驱动的FCEV都面临着与改进的燃油汽车、采用各种替代燃料的低污染汽车及有刷电机的汽车的市场竞争。
所以电动车必须在性能、价格、环保上进一步改进，只有这样才能在汽车行业占有一席之地。
电动汽车的发展很快，技术和市场垄断日趋明显，竞争加剧。
这些都是发达国家对未来能源技术的竞争。
我国是世界上能源消费增长最快的国家，是能源人口平均最少的国家，更是世界上环境污染严重的国家。
作为一个人口大国，发展和储备电动汽车技术是解决能源短缺和环境污染的有效方法之一，也是跟踪发达国家高新技术的一个重要领域。
尽管我国在电动汽车的研究方面获得了一些进展，但其发展的总体水平与国际水平还有很大差距[2]。
本文在现有的有刷电机与无刷电机的发展中进一步研究无刷电机控制器，论述了他们之间的区别，以及较详细的阐述了无刷电机的发展过程、工作原理和电机控制器的发展情况，并展望了电动机的未来发展。
主体
1.无刷电机的发展过程与研究现状
1.1传统直流电动机概述
一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。
其主要类型有：
按结构和工作原理可分为同步电动机、异步电动机和直流电动；按工作电源种类划分：
可分为直流电机和交流电机；按起动与运行方式可划分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机等等。
然后还可以根据不同的层面进行细分分，如直流电动机按结构及工作原理可划分：
无刷直流电动机和有刷直流电动机；有刷直流电动机可划分：
永磁直流电动机和电磁直流电动机。
传统的直流电动机具有运行效率高、调速性能好、响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能等优点，但要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场恒维持90°，这就要采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、碳粉、无线电干扰等弱点，再加上制造成本高、维修困难、寿命短等缺点，从而大大限制了它的应用范围[3][4]。
1.2无刷直流电动机
为了克服机械换相带来的缺点，人们研究了电子换向的方法，于是便诞生了“无刷直流电机”。
20世纪三十年代，有人开始研制以电子换向取代电刷机械换向的无刷直流电机，但当时，由于受到元器件的限制，没有发展起来。
1955年美国D.哈里森（Harrison）等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。
1978年推出MAC方波无刷直流电机及其驱动器，标志着方波无刷直流电机技术进入实用阶段。
尤其是1986年H.R.Bolton对方波无刷直流电机进行了全面系统的总结，成为方波无刷直流电机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电机在理论上达到了成熟。
之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。
20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术的发展及进步，无刷电动机得到了很大的进步。
而且无刷直流电机的技术特征也逐渐为用户所认识，因此发展速度极快。
无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机[5]。
顾名思义，无刷直流电机就是没有电刷的电机，它是以电子方式控制交流电机换相，转子和定子没有机械摩擦，大大改善了直流电机的性能，延长了寿命，并增强了其控制性，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺点的一种应用。
无刷直流电机的优点具体如下：
（l）低噪声：
因为没有了机械电刷或滑环式电刷，无刷直流电机消除了除支撑、连接以及负载以外的机械噪声；
（2）高效率：
无刷直流电机是目前电机中最高效率的一种电机，这要归功于其利用永磁体产生的恒定、持续的磁场的缘故。
在合适的操作条件下永磁无刷直流电机的永磁体具有非常小的去磁系数；
（3）无励磁需要：
无刷直流电机利用永磁体产生恒定磁场，省去了传统直流电机的电励磁部分；
（4）易维护、寿命长：
消除了机械电刷和换向器的无刷直流电机比传统直流电机构造简单，更易维护，而且电机寿命更长；
（5）控制结构简单：
无刷直流电机的转矩正比于电机电流，反馈装置简单，不需要采用绝对位置编码器或旋转变压器，因此较之交流电机更易于控制。
正是因为这个原因，目前己有很多半导体厂家生产了适合无刷直流电机控制需要的专用集成电路控制芯片。
近年来随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的快速发展，无刷直流电机得到了迅速的发展。
由于克服了机械换向装置的固有缺点，所以无刷直流电机具有调速性能优越，体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题等诸多优点[6]。
2无刷电机的工作原理和结构[7]
2.1无刷直流电机的基本结构
无刷直流电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。
其结构原理图如图1，电子开关电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。
工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。
其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，…）组成。
三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结，在图1中，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管Vl、V2、V3相接。
位置传感器的跟踪转子与电机转轴相连接。
图1无刷直流电机结构原理图
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。
无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、逆变器（电子开关线路）和转子位置传感器三部分[8]，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“电机系统”。
其原理框图2所示：
图2无刷直流电机的结构图
无刷直流电机电子开关线路是用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。
而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。
但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元[9]，如图3所示：
图3无刷直流电机的组成框图
2.2无刷直流电机的工作原理
与传统直流永磁电动机的结构相反,无刷直流电动机把电枢绕组放在定子上,把永磁钢放在转子上,借助反映转子位置的位置信号,通过驱动电路,驱动逆变电路的功率开关元件,使电枢绕组依一定顺序馈电,从而在气隙中产生步进式旋转磁场,拖动永磁转子旋转。
随着转子的转动,转子位置信号依一定规律变化,从而改变电枢绕组的通电状态,实现机电能量转换。
无刷直流电机为了实现无电刷换向，首先要把一般直流电机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，同时无刷直流电机还要有由位置传感器、控制器以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电机在运行过程中定子绕组所产生磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在900rad左右的电角度。
下面以三相无刷直流电机为例来进一步阐述无刷直流电机的工作原理和特点。
图4为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。
此处采用光电器件作为位置传感器，以三只功率晶体管Vl、V2、V3。
构成功率逻辑单元。
图4三相直流无刷电动机半控桥电路原理图
三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120度，均匀分布在电动机一端。
借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用，使从光源射来的光线一次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。
5a）5b5c5d
图5开关顺序及定子磁场旋转示意图
图4所示的转子位置和图5a）所示的位置相对应。
由于此时广电器件VP1被光照射，从而使功率晶体V1呈导通状态，电流流入绕组A-A’，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按图5中箭头方向转动。
当转子磁极转到图5b）所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板亦跟着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管V1截至，晶体管V2导通，电流从绕组A-A’断开而流入绕组B-B’，使得转子磁极继续朝箭头方向转动。
当转子磁极转到图5c）所示的位置时，此时旋转遮光板已经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管V2截至、晶体管V3导通，因而电流流入绕组C-C’，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转并回到图5a）的位置[10]。
这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下，便一相一相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换相。
在换相过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。
图5示出了各相绕组的导通顺序的示意图。
图5各相绕组的导通示意图
3电机控制器技术
一个多世纪来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。
近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。
除了人们已经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，
在实际中，电机应用己由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。
例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。
这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”“电气传动”而是“运动控制”。
运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。
因此现代电机控制技术离不开电机控制器的发展[11]。
无刷直流电机的控制器，当前主要有专用集成电路（ASIC）控制器、微处理器（MCU）和数字信号处理器（DSP）三种形式[12]。
3.1专用集成电路（ASIC）控制器
采用专门设计并定制的集成电路芯片，将所有的微处理器外围电路集成在一起，从而使电路结构大大简化。
但这种ASIC开发周期比较长，一旦定型，对电路的修改比较困难。
如MOTOROLA第二代电机控制专用芯片MC33035些芯片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗干扰能力强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。
3.2微处理器（MCU）
一般采用通用的电机控制用微处理器，性能适中、体积小、重量轻和容易模块化价格都比较低。
由可编程控制器件能构成时序控制单元，完成对无刷直流电机的全部时序逻辑的控制。
但这种控制方式对编程者是极大的考验，这要求编程者对整个无刷直流电机时序控制有非常清楚的了解，甚至最基本、最底层的设计都要有编制硬件电路来完成[13]。
3.3数字信号处理器（DSP）
调速电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。
由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。
所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想。
因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。
数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。
使用高性能的数字信号处理器（DSP）来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前最为普遍的做法。
将一系列外围设备如模数转换器（A/D）、脉宽调制发生器（PWM）和数字信号处理器（DSP）集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片。
它具有较高的集成度，由DSP制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求，此外，它的运算速度快并且能使用在很多场合，采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向[14]。
4位置传感器
转子位置的位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子位置的作用，作为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号。
然后去控制定子绕组换相。
位置传感器种类较多，且各具特点。
目前在无刷直流电机中常用的位置传感器有电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。
下面分别叙述几种形式：
4.1电磁式位置传感器
电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。
在无刷直流电动机中，用得较多的是开口变压器。
采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。
电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点；但这种传感器信噪比较低。
体积较大，同时其输出波形为电流，一般需经整流、滤波后方可应用。
4.2光电式位置传感器
光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光敏晶体管等部件组成，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。
转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。
其工作原理如图6所示：
图6光电式位置传感器工作原理图
遮光板Z开有120°电角度左右的缝隙，且缝隙的数目等于直流无刷电机转子磁极的极对数。
当缝隙对着光敏晶体管VP，时，光源G射到光敏晶体管VP，上，产生“亮电流”输出。
光敏晶体管VP，和图VP，因遮光板挡住光线，只有“暗电流”输出。
在“亮电流”作用下，三相绕组中一相绕组将有电流导通，其余两相绕组不工作。
遮光板随转子旋转，光敏晶体管随转子的转动而轮流输出“亮电流”或“暗电流”的信号，以此来检测转子磁极位置，控制电机定子三相绕组轮流导通，使该三相绕组按一定顺序通电，保证无刷直流电机正常运行。
4.3磁敏式位置传感器
采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。
磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周期磁场变化的半导体敏感元件。
其基本原理为霍尔元件的磁阻效应。
目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。
其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。
一般说来，它对环境适应能力较强，输出信号好，成本低廉，但精度不高。
磁敏元件的主要工作原理是电流的磁效应，它主要包括霍尔效应和磁阻效应，任何带电质点在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场的作用力，该力称为洛伦兹力。
洛伦兹力的大小与质点的电荷量、磁感应强度及质点运动的速度成正比。
例如，在图7所示的长方形半导体薄片上加上电场E后，在没有外加磁场时，电子沿外电场E的反方向运动，如图7a）所示。
当加以与外电场垂直的磁场B时，运动的电子受到洛伦兹力作用向左边偏转了一个角度（称为霍尔角），如图7b）所示。
因此，在半导体横向方向边缘上产生了电荷，由于该电荷积累产生了新的电场，称为霍尔电场。
该电场又影响了元件内部的电场方向，随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断增加，霍尔电场力也不断增大，它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏转，从而使电流方向又回到平行于半导体侧面方向，达到新的稳定状态，如图7c）所示。
4.4无位置传感器
用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。
一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测，即用位置传感器的信号控制无刷直流电机换向器片。
但位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。
为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。
但对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。
近年，有人提出了一种新的无位置传感器的无刷电动机，它不是利用反电动势来检测转子位置，而是通过贴于转子表面的非磁性导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置而变化，从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，这种无位置传感器的无刷电动机克服了一般无位置无刷电动机的启动和低速运行问题，但该方法需要特殊的电机，对电机的制造工艺提出很高的要求[5][17]。
总结
随着科技技术的不断发展，无刷直流电机取得了很大的进步，它是一种先进的电子驱动电机,既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的一系列优点,又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的诸多特点。
但尽管无刷直流电动机以其良好的性能而得到广泛应用,但是在前人研究的基础上,发现在无刷直流电动机的研究领域里还有不少问题很值得深入研究。
利用反电动势来检测转子位置的无位置传感器中的“反电动势法”是最常见和应用最为广泛的一种。
但这种方法的基本原理是建立在忽略电枢反应影响的前提下的，这在原理上就存在一定误差。
尤其是对于大功率无刷直流电动机，电枢反应对气隙合成磁场的影响更明显，使得反电动势过零点与总的感生电动势过零点不重合，误差更大，导致检测出的转子位置误差增大。
当电机静止或转速较低时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势过零点检测来得到正确的位置信号，使电机起动困难，且严重影响了电机的调速范围。
因此，研究如何在大功率无刷直流电动机中补偿反电动势法造成的转子位置信号误差，研究如何克服反电动势法中电机起动困难，以及扩大电机调整范围就成为十分重要的课题。
而这些问题归根结底是要研究在无位置传感器无刷直流电动机中如何更精确地检测转子位置信号。
近年，随着单片机技术的发展，特别是数字信号处理器的应用和推广，使得位置检测可以通过IC芯片配合适当算法的软件而实现。
采用DSP以实现无位置传感器的位置已成为研究热点和趋势[15]。
在工业应用,无刷直流电动机已得到越来越多的关注,由于其结构紧凑,可靠性高、产生大转矩。
随着各种需求及设备要求的提高，把它用在广泛的应用领域、发展要求电机控制系统变得更加严格,不仅在静态性能和系统控制精度高,而且在减少开发周期和成本也得有所改进。
所有的这些需求极大地增加难度的发[18]。
以至于我们进一步提高的还有转矩和转矩脉动的问题，引起转矩脉动的主要因素有：
齿槽效应引起气隙合成磁场发生畸变，影响电磁转矩；绕组电感的影响使得输入定子绕组的相电流不可能是理想的矩形波，使反电动势与理想波形的偏差加大；相电流换向使得电枢磁场呈现步进性，导致气隙合成磁场波动，影响电磁转矩的平稳；电枢反应影响气隙合成磁场，对于功率较大的无刷直流电动机，电枢反应的影响更明显。
从上述引起转矩脉动的主要因素可以看出，转矩脉动的根本原因在于气隙合成磁场和定子绕组相电流的波动。
所以我们需要增大转矩并且小转矩脉动。
一般来说,无刷直流电机（BLDC）是由VP1、VP2、VP3组成的六步整流换相带动并正常工作着。
每一个步换相的时间间隔120电气度。
所以为了产生最大转矩的逆变器应每隔60o进行换相[19]。
要减小转矩脉动，就应该采取措施保证气隙合成磁场和相电流的稳定。
无刷直流伺服电动机中存在的转矩脉动使得实现更精确的位置控制和更高性能的速度控制难度很大，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动更为突出[16]。
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