永磁无刷电动机系统发展现状Word格式.docx

1、永磁无刷电动机有正弦波驱动和方波驱动两种型式：驱动电流为矩形波的通常称为永磁无刷直流电动机，驱动电流为正弦波的通常称为永磁交流伺服电动机，按传感类型可分为有传感器电动机和无传感器电动机。驱动器指接受控制指令、可实现对电动机的转矩、速度和转子位置控制的电气装置。驱动器按其控制电路和软件的实现方式可分为模拟量控制、数字模拟混合控制和全数字控制三种；按驱动方式可分为方波驱动和正弦波驱动。图5 位置控制系统方框图传感部分的作用是检测永磁无刷电动机的位置、速度和电流。常用的传感器有接近开关、光电编码器、旋转变压器、霍尔元件和电流传感器等。2 结构、设计和工艺2.1 电机结构永磁无刷直流电动机的基本结构是

2、将永磁直流电动机的定、转子位置进行互换，通常称为“内翻外”，转子为永磁结构，产生气隙磁通，定子为电枢，有多相对称绕组，直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置传感器所代替。所以无刷电动机实际上是一种永磁同步电机，如图6所示。图6 永磁无刷电动机结构 图7 外转子永磁无刷直流电动机另外，永磁无刷直流电动机可以做成外转子型和盘式转子型。其结构见图7和图8。外转子型电机的永磁磁极转子位于定子的外侧，转矩脉动小，容易做成扁平型，惯量较大。盘式转子型电机的气隙平面与轴垂直，盘式转子与永磁磁极相向配置，电机成扁平形，可做成有槽结构，见图8，也可以做成无槽、无铁心结构。这种电动机常用于FDD和CD的直

3、接驱动等。图8 盘式转子无刷直流电动机无刷直流电动机多采用钐钴（SmCo）和钕铁硼（NdFeB）等稀土永磁。常见的转子结构有表面式磁极，嵌入式磁极和环形磁极3种，如图9所示。图9a结构是在铁心表面粘贴径向充磁的瓦片形永磁体，有时也采用矩形小条拼装成瓦片形磁极，以降低制造成本。图9b结构是在铁心中嵌入矩形永磁体。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可以获得较大的磁通。但结构需要作隔磁处理或者采用不锈钢轴。对于高转速运行的电机，图9a和图9b的结构需在转子外表面套一个0.3 mm0.8 mm的磁性紧圈，防止离心力将磁钢甩出。紧圈材料通常采用不导磁的不锈钢，也可以用环氧无纬玻璃丝带缚扎。

4、图9c结构是在铁心外套上一个整体稀土永磁环。该环形磁体径向充磁为多极，适用于小功率的电机。这种结构的转子制造工艺性较好。2.2 设计工艺技术发展动向1） 设计手段不断完善随着计算机技术的发展以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路解析求解、场路结合求解等一整套分析研究方法和计算机辅助分析的设计软件。如Ansoft公司、MagneForce公司、Jmag公司均推出各种类型的电机设计软件，以方便快捷地完成从电机的电磁设计计算、损耗计算、优化设计、噪声抑制、特性分析等。针对无刷电机特点，提供多种转子类型、多种绕组型式及主电路的连接方式，以便组合。2006年三

5、季度，加拿大以电磁计算分析著名的Infolytica公司，推出了专门针对永磁无刷电机的Motorsolve设计软件。图9 无刷直流电动机转子结构形式这些软件除了对电机进行电磁设计，还可对电机在槽形、绕组、材料等设计变量改变情况下多方案比较分析、电磁场精确计算和电机多目标优化设计，并包括控制电路、控制算法在内的整个设计流程，既可以提供任意时刻电机内电磁场分布数据，又能对电机工作时所关心的各类运行曲线，如转矩、转速、电流、功率、效率等提供结果，同时还能提供齿槽转矩、转矩脉动、转速波动等详细指标参数，并可完成电机的各类正常工况和故障工况的仿真实验，包括起动、堵转、突加突减负载、突然短路等等。2）分数

6、槽技术应用日益增多 分数槽绕组技术在永磁无刷电动机中的应用已逐渐增多。如在电动自行车电机中采用三相、40极、36槽；Collmorgen公司Goldline系列交流伺服电机采用4极、18槽，6极、24槽等；松下伺服电机采用6极、9槽，8极、12槽等每极每相槽数q=1/2的分数槽绕组结构。对于多极的无刷电动机采用分数槽绕组，可以较少的定子槽数达到多槽能达到的效果。采用分数槽绕组有以下优点：a）电机电枢槽数大为减少，有利于槽利用率的提高；b）较少数目的元件数，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本；c）有可能得到线圈节距y=1的设计（集中绕组），便于采用自动绕线机绕制，提高工效；同时各个线圈端部没有

7、重叠，不必设相间绝缘；d）线圈周长和绕组端部缩短，电动机绕组电阻减小，铜损随之也减低，提高了电动机的性能。采用分数槽绕组的磁动势谐波远大于整数槽绕组，如图10所示。图10 整数槽绕组与分数槽绕组（q=1/2）时的反电动势比较3）无槽、无铁心结构电机无铁心无刷电动机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能优越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行；由于电枢无铁心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了由齿槽效应带来的转矩波动，具有优异的控制性能；运行效率高、温升低、转速范围广；电机的电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载动行时，噪声及振动都很低。无铁心无刷电机

8、可采用轴向磁场结构和径向磁场结构。轴向磁场结构的电机电枢绕组径向按一定规律分布，在专用模具中固化成形，电枢两侧均为盘状转子体，转子磁体为轴向磁化，两侧转子可同时布置永磁体磁极及转子轭，成双励磁转子结构，也可一侧布置永磁体磁极而另一侧布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构电机的电枢绕组轴向按一定规律分布成筒状，其电枢内、外圆处均为筒状转子体，转子磁极为径向磁化，内、外圆可同时布置永磁体磁极及转子轭，成双励磁转子结构，也可在其中一个圆周上布置永磁体磁极，而另一圆周上只布置转子磁轭，成单励磁转子结构。径向磁场结构和轴向磁场结构均可根据要求制造成内转子和外转子结构。图11为径向磁场结构的无铁心无

9、刷电动机典型结构。图11 无铁心无刷电动机结构图 图12 分割型定子冲片和铁心典型盘式无刷电动机定子、转子均为圆盘形，采用轴向气隙磁场，可做成有铁心和无铁心两种结构，定子绕组呈径向分布。无槽结构无刷电动机消除了齿槽效应，具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、电枢电感小、定位干扰力矩小等一系列优点，成为很有发展前景的无刷电动机。小直径的电动机，无槽结构能获得比有槽结构更大的转矩指标；在特殊条件下，例如要求电动机的转矩和功率相对不大，对电动机的体积限制不严，而对电动机的控制要求很高的情况下，采取无槽结构会获得好的效果。国内无槽无刷电动机已有系列产品，功率范围至30 kW，最高转速可达20 000 r/

10、min。4）工艺不断革新在电机制造方面，通过对传统工艺的不断革新，出现了分割型定子铁心结构和连续绕线工艺方法。采用多极集中绕组，减少绕组端部长度，以适应生产自动化，使产品向低成本、低价格方向发展。同时出现了适应不同性能参数永磁材料的瓦型、环型表面粘接结构和各种不同设计嵌入式磁体结构等新的转子磁路结构。对于节距y=1分数槽设计，用专用绕线机直接绕制定子线圈，对于外转子结构的电机比较方便，但对于内转子结构的电机，特别是定子内径小的小功率电机，就要困难得多了。为此，分割型定子铁心结构的构思提出来了。图12所示为一种新型定子铁心结构，把定子铁心每齿分割开来，可以在铁心展开的状态下绕制线圈，以便随时调整

11、线圈，实现规则绕制。绕圈绕制完成后，再把全部磁极对接成圆，形成一个完整的定子。这时，电枢槽的利用率可达85%以上。日本松下生产的永磁交流伺服电动机最早采用上述新工艺，生产效率大大提高，产品体积大为减小，性能也有质的提升。以400 W为例，定子外径从最早的125 mm减小到56 mm，效率由最早的70%提高到85%，温升为80K。3 传感与传感器技术3.1 转子磁场位置传感器在无刷直流电动机中，常用的位置传感器有以下几种。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检测转子位置，有开口变压器、接近开关电路等；使用较多的是开口变压器。电磁式位置传感器具有输出信号强、工作可靠、寿命长、适应性

12、强、对环境要求不高等优点，多用于航空航天领域，但体积较大，信噪比较低，同时，其输出波形为交流，需整流、滤波方可使用，因而限制了它在普通条件下的应用。2）磁敏式位置传感器 常见的磁敏式位置传感器由霍尔元件或霍尔集成电路构成。霍尔元件位置传感器由于结构简单、性能可靠、成本低，是目前应用最多的一种位置传感器。霍尔元件所产生的电动势很低，往往需要外接放大器，很不方便，随着半导体技术的发展，将霍尔元件与附加电路封装成三端模块，构成霍尔集成电路。霍尔集成电路有开关型和线性型两种，通常用开关型作为位置传感器。3）光电式位置传感器 光电式位置传感器由安装在电机转子上的遮光盘和固定不动的光电开关组成。其原理如图

13、13所示。遮光盘上开有150电角度的扇形开口，扇形开口的数目等于无刷直流电机转子磁极的极对数。4极电机所用遮光盘如图13。光电开关通常采用将发光二极管和光敏三极管封装在一起的光断续器。图13 光电传感器对于两相导通星形三相六状态无刷直流电动机，3个光电开关在空间依次相差120电角度，光电开关与电枢绕组的相对位置以及遮光盘与转子磁极的相对位置类似于霍尔位置传感器。4）对于高精度无刷伺服系统，用于速度和位置反馈的传感器有：（1） 光学绝对式编码器绝对式编码器的精度由光电码盘的机械位置决定，不受停电等干扰影响；由机械位置决定的每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，数据的可靠性大

14、大提高了。（2） 光学增量式编码器增量编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量位移角，不能直接检测出轴的绝对角度。常选用的分辨率为每转2500个脉冲。（3） 无刷旋转变压器+R/D变换器无刷旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测元件，适用于高温、严寒、潮湿、高速、高振动等旋转编码器无法正常工作的场合。无刷旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。无刷旋转变压器的精度主要由函数误差和零位误差衡量。其精度高于自整角机。（4） 感应同步器感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理制做的；可用来测量直线和转角位移；测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应

15、同步器。感应同步器的优点是分辨率高、抗干扰能力强、寿命长，维护简便。（5）无刷测速发电机。用于精度要求不高的无刷伺服系统的速度和位置传感器有：（1）磁阻旋转变压器；（2）磁电式脉冲测速发电机；（3）磁性编码器；此外，在经济型系统中，还有利用转子磁场位置信号经倍频处理或利用在电机槽中放置线圈的简易型测速发电机作速度和位置检测的方式。3.2 无位置传感器检测技术1）利用反电动势检测转子位置 按照无刷直流电动机工作原理，必须要有转子磁极位置信号来决定电子开关的换相。目前，大多数采用安装位置传感器（例如霍尔元件）方法来得到这些信号。它有必须占用电机一些空间，安装位置要准，需较多引出线，影响可靠性，在某

16、些场合，如压缩机内的高温高压环境，不允许安放霍尔元件。为此，80年代以来，微机控制技术的快速进展，出现了各种称为无位置传感器控制技术方法，是当代无刷直流电动机控制研究热点之一。它从电子电路以软件方法获得转子磁极位置信号，实现电子换相。在诸多方法中，以反电势法较成功。它检测不激励相绕组的反电势过零点，经过运算后，决定换相时刻。这也是硬件软件化的一个成功例子。反电动势法的缺陷是当电机在静止或低速运行时，反电动势为0或太小，因而无法利用，一般采用专门的起动电路，使电机以他控变频方式起动，当电机具有一定的初速度和电动势后，再切换到自控变频状态。这个过程称为三段式起动，包括转子定位、加速和运行状态切换三

17、个阶段。2）续流二极管检测法 通过对逆变器开关管施加特殊时序的斩波控制信号，使电机绕组的续流电流沿着特定的回路流通，当断开相绕组的反电动势过零时，与断开相开关管并联的续流二极管中将流过续流电流，通过对该续流二极管导通与否的检测就可以确定出绕组反电动势的过零点，从而得到电机的转子位置信号。这种检测方法实际检测的也是绕组的反电动势，但是检测的灵敏度相对较高，在电机额定转速的2%以上有效，起动容易、调速比大，缺点是实现电路稍复杂一些。3）瞬时电压方程法 利用电机各相瞬时电压和电流方程，实时计算电机由静止到正常运转任一时刻转子的位置，控制电机的运行。该方法不需专门的起动线路，电路简单、起动转矩大，但对

18、电机本体的数学模型依赖性大，当电机参数因温度变化发生漂移时，容易造成建模误差，使控制精确性受到影响；另外，由于在线计算复杂，计算量很大，考虑到转子位置检测的实时性，必须采用具有快速运算能力的DSP和高速A/D转换器。4）脉冲注入法 转子位置的不同使电机磁场的分布也不同。该方法采用脉冲注入检测无刷电机静止状态下的转子位置，通过依次向定子绕组注入一系列脉冲，根据测量得到的电流峰值判断转子位置。该方法对电机参数的依赖性低。4 控制技术发展动向4.1 DSP的应用促进了无刷电动机系统技术发展1）DSP的特点 随着技术进步和用户对电机控制器的运算速度、数据处理能力、控制精度和实时性提出了更高的要求，过去

19、单纯的靠开、停时间长短或单片机来控制电机运行的方式已不能满足实际需要；特别是对于采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，对系统的实时性和精度要求较高，单片机往往不能满足要求。与单片机相比，DSP器件集成度较高，CPU速度较快，存储器容量更大，更适用于电动机的变速驱动控制，同时可以提高系统的性能，降低成本和功耗，简化外围电路的设计工作。因此，为了达到电机控制不断增加的计算量和速度要求，更好地发挥电机的运行性能，具有强大数字信号处理功能的DSP芯片应运而生。DSP技术的应用使现代控制理论中先进而复杂的算法得以实现。DSP芯片的飞速发展促进了无刷电机控制技术的发展与创新。DSP把现实生活中的

20、各种模拟信号转换成数字信号，再用数学计算方法来处理这些数字信号并得到相应结果。数字信号处理的主要任务是完成大量的实时计算。例如在DSP中常用的FIR滤波和FFT快速算法。DSP芯片是一种特别适用于数字信号处理的微处理器。它强调对数据进行运算处理的实时性，除具备普通微处理器强调的快速计算和控制功能，在芯片结构、数据流程和指令系统方面有较大改进。例如： 采用哈佛结构及改进的哈佛结构，比传统的冯诺依曼结构具有更高的指令执行速度，更适于处理具有高度实时要求的数字信号。广泛采用流水线技术，加快指令执行速度，增强了处理器处理数据的能力。采用多总线结构，解决了传统芯片的总线冲突问题，大大提高了系统的速度和效

21、率。可以在一个周期内同时访问数据和程序存储空间，解决了传统芯片的总线冲突问题，大大提高了系统的速度和效率。快速的中断处理能力和硬件I/O接口支持。2）DSP在无刷电机控制中的应用 （1）DSP技术在无刷电机控制中的发展 20世纪80年代，数字信号处理技术开始应用于电机控制领域，其主要用来直接控制感应电机的磁通量和转矩，以达到对电机转矩进行快速、高性能的控制。典型的产品代表为TI公司的TMS32010。但由于以前数字信号处理器芯片的价格较高，人们对其在电机控制中的应用也没有给予足够的重视，这种芯片主要用在通讯、图像处理等领域，而在电机控制中的应用较少，后来由于数字信号处理器芯片的性价比不断提高，

22、而且其强大的数字信号处理能力越来越受到用户的欢迎，DSP的应用得到了较快的发展。尽管最初把DSP技术应用于电机控制的目的是其快速的数据处理能力能够对电机进行矢量控制和直接转矩控制，使复杂的算法得以实现，但以前的DSP芯片没有集成数模转换和脉宽调制等外围电路，芯片只是作为在算法上比MCU占优势的通用处理器来使用，大大增加了系统的体积和产品的成本，增加系统设计的复杂性，延长开发周期，降低系统工作的可靠性。（2）典型的DSP芯片在无刷电机控制中的应用 TI系列DSP芯片 TI公司于1998年推出的TMS320F240是电机控制领域一个划时代的进步。芯片的执行速度很快，在20 MHz的时钟频率下，指令

23、周期仅为50 ns，且多数指令都能在一个指令周期内完成，片内具有Flash ROM。内部有16通道两路转换精度为10位的AD变换器，转换时间仅为6.6s。在电机调速系统构成电流闭环时，反馈电流信号可以经AD输入CPU处理。另外，TMS320F240还提供28个I/O口，用于控制系统所需的各种开关量。芯片内集成的事件管理器（EV）具有控制三个半高桥的能力，当各个桥需要互补的PWM去控制时，EV可以提供这种功能，极大地方便了电机控制系统的设计。它是专门用于电机控制的模块。AD系列DSP芯片 AD公司推出基于16位26MIPS定点DSP核ADSP2171的ADMC300、330、331电机控制芯片，

24、把数字信号处理器和外围电路结合在一起，集成了16位三相PWM发生器、存储器，串行通讯口，定时器等外围器件，还具有7路模拟量的输入通道，用户不必在外围再设置模数转换器，从而降低成本，提高系统工作的可靠性。采用ADSP2100系列的代码兼容语言，使程序的移植非常方便，缩短了产品的开发周期，工作量大大减少。AD公司开发的电机控制DSP芯片ADMC401具有一套完备的外围控制接口和丰富的电机控制外设电路，增强了DSP的快速运算能力，可以在高度集成的环境中对电机进行控制。它的基本控制外设电路是带有8路模拟量输入的模/数转换系统、光电编码器接口单元和灵活、简便的脉冲宽度调制单元，可以输出6路PWM信号，以

25、控制逆变器功率开关的动作，借助于快速、高精度的模/数转换系统和控制器来监视和调控电机的运行。ADMC401芯片可广泛应用于控制交流电机、直流电机及开关磁阻电机等。Motorola系列DSP芯片Motorola公司研制的DSP56F8xx系列集成了Motorola 16位定点DSP微控制器内核DSP56800。芯片内核最高可工作于80 MHz，指令执行速度可达40MIPS，单指令周期可以完成1616位的并行乘、加运算，支持16位双向循环移位。芯片内集成相位检测器和PWM模块，提供硬件循环操作，具有JTAG程序调试接口，允许在系统设计过程中随时进行实时调试，非常适用于电机的实时控制。DSP56F8

26、xx系列芯片可以实现复杂的算法并降低产品成本，提高系统的可靠性与稳定性，可用于控制交流感应电机、有刷直流及无刷电机、有传感器及无传感器电机、可变磁阻电机及步进电机等。4.2 控制理论的发展1）基于稳态模型的标量控制 交流电动机最初的运行方式是不受控运行。其控制功能仅限于接通和关断以及某些情况下的辅助起动、制动和反转。为了满足一些调速传动的需要，产生了一些性能较差的控制：如鼠笼异步电动机降压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速和电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机串极调速、鼠笼异步电动机变压变频调速（VVVF）、变极调速和同步电机变压变频调速。在以上调速方法中，除变压变频调速外，一般为开环控制，

27、不需变频器，设备简单，但效率低，性能差。鼠笼异步电动机基于恒压频比控制而构成的转差频率闭环控制，性能相对较好，但由于它们都是基于稳态模型，动态性能较差，一般只用于水泵、风机等动态性能要求较低的节能调速和一般调速场合。2）矢量控制 1971年由德国学者Blaschke提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制。永磁同步电机的控制性能由此发生了质的飞跃。矢量控制最本质的特征是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性变量变换为相对坐标系为静止的直流变量（如电流，磁链，电压等），从中找到约束条件，获得某一目标的最佳控制策略。3）直接转矩控制 1985年，Dep

28、enbrock教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的条件下强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量坐标变换等复杂的计算。其磁场定向应用的是定子磁链，只需知道定子电阻就可以把它观测出来，相对矢量控制更不易受电机参数变化的影响。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制中，其控制规律和关键技术正逐渐被人们了解、掌握。直接转矩控制在全数字化、大转矩、快速响应的交流伺服系统中有广阔应用前景。4）非线性控制 交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统：非线性控制通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变

29、量、强耦合的交流电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中转子磁链子系统由两个惯性环节组成。两个子系统的调节按线性控制理论分别设计，以使系统达到预期的性能指标。但是，非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统的精确测量或观测，而电机在运行中，参数受各个因素的影响会发生变化，磁链观测的准确性也很难论证，这些都会影响系统的鲁棒性，甚至造成系统性能恶化。目前这种控制方法仍有待进一步完善。 5）自适应控制 自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，是克服参数变化影响的有力手段。应用于永磁交流电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各

30、种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题是：数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化；辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，就会因来不及校正而难以产生很好的效果。6）滑模变结构控制滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。在过去10多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，并已取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题。主要原因是：对于实际的滑模变结构系统，其控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差，特别对于计算机