文献综述无刷直流电动机：时间轴:1913 5 5年一无刷电机诞生19780年一无刷电机进入实用阶段23 0世纪一无传感器无刷电机研制成功无刷电动机的诞生标志是1 9 5 5年美国D.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•而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在197 8年的 MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出之后，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特别是大功率开关器件的发展,无刷电动机得 到了长足的发展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直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用,但普通的直流电动 机由于需要机械换相和电刷,可靠性差,需要经常维护;换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了 直流电动机在控制系统中的进一步应用.为了克服机械换相带来的缺点,以电子换相取代机 械换相的无刷电机应运而生1 9 5 5年美国D.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。
而电子换相的无刷直流电动机真正 进入实用阶段，是在197 8年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出之后，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特别是大功率开关 器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展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.无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运 行可靠、易于控制其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自 动化领域迅速发展.在结构上,与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由 永磁材料所取代按照流入电枢绕组的电流波形的不同,直流无刷电动机可分为方波直流电 动机(BLDCM)和正弦波直流电动机(PMSM),BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机 械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷;而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中 的励磁绕组,省去了励磁绕组、滑环和电刷在相同的条件下,驱动电路要获得方波比较容易, 且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多。
无刷直流电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电 子换相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.由于位置传感器的使用有如下缺点:(1)增大电机尺寸；(2)传感器信号传输线太多,容易引起干扰；（3 ）高温、低温、污浊空气等恶劣工作条件会降低传感器可靠性；（4 ）传感器的安装精度直接影响电机的运行性能等等，而且在有些特殊场合下电机根本 无法安装位置传感器因此,无刷直流电机的无位置传感器技术近年来日益受到人们的关注,国内外研究人员在 这方面进行了积极的研究无刷直流电机的无位置传感器控制的关键在于转子位置信号的获 得,现在比较流行的方法有反电动势法、电感法、磁链法、旋转坐标法、卡尔曼滤波器法、续 流二极管法、状态观测器法等无刷直流电机原理控制原理要让电机转动起来,首先控制部就必须根据位置检测器感应到的电机转子目前所在位置 然后依照定子绕线决定开启（或关闭）换流器（inverter）中功率晶体管的顺序，如下图1 inverter中之AH、BH、CH（这些称为上臂功率晶体管）及AL、BL、CL（这些称为下臂功率晶 体管），使电流依序流经电机线圈产生顺向（或逆向）旋转磁场,并与转子的磁铁相互作用,如此 就能使电机顺时/逆时转动。
当电机转子转动到位置检测器感应出另一组信号的位置时，控 制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定 要电机转子停止则关闭功率晶体管（或只开下臂功率晶体管） ;要电机转子反向则功率晶体管 开启顺序相反InverterMotor图 1 换流器工作原理示意图基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL —组一AH、CL 一组-BH.CL 一组 — BH、AL— 组—CH、AL 一组—CH、BL 一组， 但绝不能开成 AH、AL 或 BH、BL 或 CH、 CL此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件 的响应时间考虑进去，否则当上臂（或下臂）尚未完全关闭,下臂（或上臂）就已开启,结果就造 成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁.当电机转动起来,控制部会再根据驱动器设定的速度及加 /减速率所组成的命令与位置 检测器信号变化的速度加以比对（或由软件运算）再来决定由下一组（AH、BL或AH、CL或 BH、CL或……）开关导通，以及导通时间长短速度不够则开长，速度过头则减短,此部份 工作就由PWM来完成.PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是 要达到较精准速度控制的核心•高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK分辨率是否 足以掌握处理软件指令的时间，另外对于位置检测器信号变化的资料存取方式也影响到处理 器效能与判定正确性、实时性。
至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的位置检 测器信号变化变得更慢,怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数 值就显得非常重要或者速度回传改变以enc o der变化为参考,使信号分辨率增加以期得到 更佳的控制•电机能够运转顺畅而且响应良好，P. I .D控制的恰当与否也无法忽视之前提 到直流无刷电机是闭回路控制,因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速 度还差多少，这就是误差（Error）知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.ID.控制但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐 怕不是传统的工程控制能完全掌握,所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智 能型P°I.D控制的重要理论位置检测方法反电动势法的原理 反电动势法是最常见和应用最为广泛的一种无位置传感器转子位置检测方法假设反电动势波形为理想梯形波，采用两两通电方式，图4所示为A、B、c三相的反电动势和电流波 形图中的梯形波为反电动势波形，非连续的矩形波为电流波形从图中可以看出，每相在 正负半个周期各导通12 0.电角度，任一时刻只有两相导通，另外一相关断。
关断相的反电动 势过零后，延时 30.电角度即为该相的导通时刻所以,检测反电动势过零点,就可以控制换 流.电感法在无刷直流电机中绕组电感会根据转子位置的不同而变化,这是因为转子位置的变化使 得定子与转子磁场耦合程度改变，这样的改变也会使得电机中性点的电压改变同时在反电 势法的改进方法中也提到，根据计算在反电势过零点的时候，中性点电压为1 /2Ud, —相 断开，导通的两相绕组电感相等根据这一原理,通过检测各相定子绕组的电感值,经过比较 运算之后就可以得到转子位置信号还有一种电感法是针对凸极电机而使用的,在凸极电机中绕组自感可以看做是绕组轴线 与转子直轴夹角的函数,通过检测电感值经过计算可以大致地获得转子位置信息,再根据铁心 饱和程度的变化趋势来确定极性,从而获得精确的位置信号.不过这种方法只能应用在凸极电 机上,应用不广从原理上说电感法有一定的可行性,但是主要的制约因素是电感值的检测通常检测电 感值是通过传感器将电感值转变为电信号，而由于电机内部本质上是一个非线性系统,由于 电机漏电抗，气隙磁通变化的不确定性对绕组电感的干扰而导致检测的不准确对换向信号的 干扰作用十分明显,所以这种方法也不是特别常用。
卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波器法的思想是从一组有限的对物体位置的包含噪声的观察序列预测出物体的坐标位置及速度状态观测器法是现代控制理论发展应用于无刷直流电机上的一种新型的 控制方法,它的基本原理是: 打破了传统方法中电压电流与转子位置的关系 ,从无刷直流电 机的基本方程经过离散变换得到以输入转矩,系统噪声为参数的关于转速s 与位置角度e 的状态方程,然后根据卡尔曼滤波公式和无刷直流电机模型，确定经变换后的各个参数的维 数,带入卡尔曼递推公式就可以得到经过卡尔曼滤波之后关于转速和角度的预测方程这种方法由于在算法上的理论支持,所以能够较好的滤除掉系统产生的干扰信号,对转子 位置的预测也比较准确.但是其应用并不是很广泛,因为算法复杂导致软件编写困难以及对控 制器运算速度的要求较高，增大了开发成本另外预测方程中的估测参数仍是绕组电压电流, 因此参数确定的精确程度也一定程度上左右了这种方法的可行性各种方法的比较 无刷直流电机转子位置辨识方法有许多的种类，但就目前来看，反电势及其各种改进方 法还是应用最广，技术最成熟的方法虽然其在理论上做了一定程度上的近似而且在低速是 性能有待提高，但是由于检测方便，对控制器要求较低，简单可靠，而且工程上对其误差的 修正也比较容易,从而使该种方法成为无刷直流电机转子位置检测的主流; 电感法,电流法， 涡流法等由于对传感器的高要求以及实现的困难从而应用较少; 而各种基于现代控制理论 以及先进算法的无位置传感器虽然在检测精度以及调速范围上远远领先于反电势法,但是由 于算法的复杂性以及对控制器运算速度上的要求,使得成本偏高，只能在对性能要求较高的 场合使用.无刷直流电机国内外发展现状我国无刷直流电机的研制开发起于70年代初期，主要是为我国自行研制的军事装备和 宇航技术发展而配套。
由于需要量少,只需由某些科研单位试制提供就能满足要求.经过 20 多 年的发展,虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距,但由于无刷电机产品是综合 了电机、微电子、控制、计算机等技术于一身的高技术产品,受到了我国基础工业落后的制 约，因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大目前，国内研制的单 位虽不少,但能有一定批量的单位却屈指可数据不完全统计,全国的年产量不超过1 o万台， 其中绝大部分是属于低档的无刷风机，且价格高于进口产品,毫无市场竞争能力，制约发展 的主要因素有:1 可供选择的电子元器件太少,尤其专用集成模块,国内仍然是空白，严重影响新产晶的 开发和规模化生产,而且其可靠性差，价格高,难以满足实际生产需要2.科研与生产设备陈旧,尤其是大规模生产手段缺泛,难以保证产品质量一致性，生产效 率低下，增加生产成本．3．缺泛有效的应用研究，新产品开发没有针对性,研究和实用脱节,只追求成果的水平， 忽略零部件的国产化,阻碍成果的转化.4．国产的原材料及零部件质次价高,如无刷电机的关键磁性材料、铁氧体磁铁和稀土磁 钢均无法满足需要，检测转子位置用传感器水平也很差5.大规模应用市场还未形成，由于无刷电机主要应用在高档的精密设备和仪器中,而这些 产品目前我国还正处在开发中,即使有小批量生产,仍然是随整机从国外进口组装，国产化仍 刚刚起步,难以在短时间完成，缺乏大批量的需求，对电机制造业决定进行大规模技术改造 是很困难的选择．6．无刷直流电机属精密微特电机之列，需要较多精密加工设备和测试设备,投资量大， 如筹建一座年产量百万台录相机用无刷直流电机生产厂，总投资需1..5〜2亿元，一般企业 难以承受,严重影响企业的技术改造.当今日本、德国、台湾是无刷电机主要生产国和地区,日本的年产量超过8000 万台， 其中约百分之五十出口诲外，德国年产量约300 0万台，台湾主要生产较。