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第一章 绪论
1.1 引言
直流电机根据电机是否有电刷，我们可以将其分为两类，一类是有刷直流电机，一类是无刷直流电机。在实际运用过程中，直流电机优点较多，如：可调速、启动性好、运行效率高等等，正是由于直流电机的这类优点，使得其在工业生产和人们生活中被大范围使用。相比传统的直流电机来说，电机都具有电刷，在使用的过程中，通过电机内部装置以便达到机械转向目的。但是，机械作用会产生机械摩擦，在使用中会产生大量的噪声、火花、无线电干扰等等缺陷，同时，这类机械摩擦会降低电机的使用寿命，在出现问题后，维护成本较高、技术难度较大，所以，这类有电刷的直流电机在现实中使用的并不多 i 。电动机根据电流不同，主要可分为两大类，一是交流电动机，二是直流电动机。上文中我们提到，传统的直流电动机，因为用机械的方式使电刷换相，拥有众多不可克服的缺陷，在使用中限制较多。在现实的工农业生产过程中，为了克服直流电动机这些缺陷，通常我们采用交流电动机代替直流电动机。相比直流电动机，交流电动机稳定性更好，优势更加明显，但是在启动方面，性能不好；从结构方面来说，交流电动机比直流电动机更加简便，可靠性更好，但是交流电动机在调速方面，性能较差 ii 。为了符合实际需求，人们一直在寻找一种更加实用、能够克服各类缺陷的电动机。随着科技的不断发展和进度，电子电力技术越来越成熟，永磁材料被大范围地使用，这样无刷直流电动机就随之产生了。相比传统的有刷直流电动机，在电刷的控制上，采用的装置由原来的机械装置变为了电子元件，通过电子原件进行换相，对于传统电机的诸多缺陷进行优化。在克服缺陷的同时，对于速度的调节也易于控制。这样，可靠性、高效率、调节性等优点，就成为了无刷直流电机的代名词iii。在图表 1-1，我们对交流异步电机、有刷直流电机以及无刷直流电机进行了类比，主要是从以下九个角度进行的。
通过以上的对比，我们可以明显地发现无刷直流电机具有无与伦比的优越性，这样使得其在实际运用中使用更加广泛，随着工业生产以及人们生活的切实需求，对于无刷直流电机重视程度越来越高，相关的研究国内外也越来越多。
1.2 无刷直流电机在国内外的发展与现状
我们回溯无刷直流电机发展历程可以返现，早在 1917 年，美国的科学家 Boliger 首先提出了该种理念，即为用整流管代替机械电刷，这个理念从本质上来说，是无刷直流电机的雏形。到了上个世纪三十年代，科学界开始关注直流无刷电动机，在电刷的换向中，将电子元件代替机械电刷，并取得了实质性的进展。但是因为局限于当时的技术发展水平，即大功
率的电子元件尚处于研发状态，并没有大规模使用，所以，无刷直流电动机的研究还停留在实验状态，并没有定型量产，推广使用范围并不广。直至 1955 年，美国科学家 D•哈利森等人在机械转向方面取得突破，并获得了专利，其将传统电机的机械换向变化为应用晶体管换向，优化了电动机性能。但是，由于这种电动机没有起动转矩，因此并没有大规模使用量产。一直到了 1962 年，霍尔元件正式问世，使直流无刷电动机正真得到了实现。iv。在 1978 年汉诺威贸易展览会，无刷直流电机以及驱动系统正式展出，自此开始，无刷直流电动机正式迈进了实用阶段。
v 。
从我国无刷直流电机的发展来看，其相关研究最早是在二十世纪八十年代开始的，在1987 年联邦德国金属加工设备博览会上，国外的两家公司所展示出的电动机驱动系统，吸引了我国学者的关注 vi 。经过多年的努力研究，我国在无刷直流电动机上的研究取得了突破性进展，研制生产出了多种型号的小功率无刷直流电动机，并成功进行了批量生产。例如，上海交大研制出了卫星专用的永磁类，先微电机研究所研制出了 45ZW-1、SSZW-1 等多种型号。虽然我国取得了一定成就，但是在大功率的无刷直流电动方面，取得的成绩不够明显，步伐不够快，相比国际同行差距较大，还需要进一步提升。
1.3 无刷直流电机的控制方式
从某种意义上来说，无刷直流电动机已经不完全是一种电机。控制器在无刷直流电动机上发挥了无可替代的作用，已经形成了一个独立的、完整的控制系统。在换相过程中，此类电动机采用的是电子换相，相比传统的电动机更加可靠，换相更加灵活方便。从其控制方式上来看，此类电动机主要控制模式有两种，通过其是否通过传感器控制分为两类，一类是有传感器类，一类是无传感器类。在一些特殊的研究领域，对于电机的大小有严格的限定，从而使得无传感器类的电动机更加受到青睐。在后面的叙述中，我们将集中介绍无刷直流电动机的控制方法。
1.3.1 调速控制
在运用过程中，我们常用的控制模式是调速控制。其调速的方法为：电机在运行中，通过分析定转速和电机转速反馈的差值，经过 PI 进行合理调节，从而使得电机的电流得出具体的参考数值，两者之间的差值进行准确调节后，进而形成 PWM 占空比的控制量，通过控制量的变化实现电机速度的调控 vii 。在具体的运用中，电动自行车的控制主要有两种，一种是单片机，一种采用的是专用控制芯片，如果运用的环境对于精度要求非常高，又或者对于电动机的转速要求非常快，那么我们通常采用的是 DSP 控制。如图 1-1，其为无刷直流电动机的调速控制示意图。
1.3.2 无位置传感器控制
无位置传感器电机在结构上，因为其省去了位置传感器，相对来说结构更加简单，电机的容积和重量得到了很大的解放，灵活性更强，其已经成为了目前电机学者们研究的重点。在信号反馈中，无位置传感器主要是通过感应电动势过零点的办法进行测定的，这种方法我们称
为发电动势检测法。相比其他的检测方法，这种方法较为成熟，应用的也较为广泛。具体的检测流程为：其运行的前提为，电机忽略了电枢反应，同时检测电机的未导通相的反电势，一旦其过了零点头，电机就可以获得转子的位置信号，根据转子的位置信号，转换电流，从而控制电机正常运转 viii 。反电势法并不是在电机的任何状态下都可以检测的，一旦电机处于静止，或者是低速状态的时候，其产生的反电势很小，有时甚至为零，这样就无法运用这种方法进行检测。因此，想要使用这种方法，就必须确保电机正常运转，即要解决好电机的启动。虽然无刷直流电机优点颇多，在体积上、重量上都得到了进一步优化，但是其加入了新的控制方法，并且电机运行的平稳性、数值的精度性都需要进一步完善，在研究上需要进一步深入。截止目前，在无位置传感器无刷直流电机的检测过程中，除了上文说的检测方法外，还有其他的检测方法，比如：续流二极管检测法 ix 、电感检测法 x 、定子三次谐波法 xixii 、卡尔曼滤波法 xiii 、基于状态观测器的估算方法 xiv 等。随着科技的不断进步，人工智能的不断完善，学者们在电机的检测方法上进行了进一步探索，他们致力于将人工智能技术引入电机检测。从目前的检测方法来看，每种检测方法都有其优点和缺陷，尚没有一种检测方法达到完美程度，因此，在此类电机的检测方法、控制手段上，我们还需要进一步的研究探索。姐 窦大姐 4000 字下面
1.3.3 新型的控制策略
近年来，国内针对无刷直流电机的文献著作有很多，而且关于无刷直流电机的理论研究和创新思路有很多，这一问题已经成为业内研究的热点。这其中，有一种思路是比较创新先进。它就是将控制算法与无刷直流电机两者相结合。而且有一种比较先进的控制技术，就是使用结合了模糊控制的直接转矩控制技术 xv 。另外，在国外很多理论中，还应用了许多先进的技术，比如还加入自适应技术、混沌技术、PID 控制技术等，都取得了比较好的效果。从上述分析研究中可以得出，无刷直流电机在实际运作中，凸显出很多优势，特别是它的结构优势和数字控制优势，已经得到了普遍的应用。
1.4 无刷直流电机的应用领域
无刷直流电机因其强大的功能和诸多的优势，已经被广泛应用于各大领域。它的主要优势如下：使用周期长，运行噪声低，便于控制、检修简单、使用效率高等；目前已经被国内各大行业采用，比如航空航天领域、交通领域、工业化生产领域、小商品市场等。
1)从现代航空航天领域的应用。
目前，无刷直流电机在航空航天领域的应用非常普遍，因为飞机等载客平台，因为受空间限制，只能在飞机上使用体积小、容易控制的直流电机。另外，在航天航空领域中磁悬浮等系统的应用也比较普遍，而且，在宇宙飞船舱内基本上都使用了这种类型的电机 xvi 。
2）从工业化生产领域的应用
近几年，无刷直流电机在工业领域的应用非常普遍，比如在数控机床、纺织品、机电等领域，都取得预期的效果。主要因为无刷直流电机在实际使用中，具有使用效率高、能准确定位等优势，使得机器的生产效率大幅度提高；而且在很多厂家自动化生产线上也被广泛的应用。无刷直流电机正以其绝对优势，刷新着整个行业的技术，而且这一技术的普及，使得旧有的电机控制技术逐步被淘汰。
3）在日常生活中的应用
无刷直流电机已经深入到人们日常生活中的每一个角落，比如办公室里面的复印机、录音设备、VCD、文件粉碎器等办公设备都使用了无刷直流电机；比如在计算机领域的应用，特别是在驱动系统上的应用，已经获得广大用户好评；比如在家电领域的应用，也是效果特别明显，比如照相机、摄影机、电视机、空调、冰箱、吸油烟机、健身器材等；目前，电动
汽车是社会比较关注热点问题，在电动汽车的车载设备上就有很多使用无刷直流电机，比如车内空调、自动座椅、安全装置等。
从无刷电机在众多领域的普及应用，这一技术已经深入到人们日常生活中的每一个角落，深深影响着人们的衣食住行。所以，对无刷直流电机应用的研究，具有很强的社会价值和经济效益。
第二章 无刷直流电机的工作原理与数学模型
2.1 无刷直流电机系统组成
无刷直流电机，顾名思义，其相比其他的直流电机，减少了电刷，主要是由电机、位置传感器、逆变器等构件组成，在电机运行过程中，换相结构主要是由外部的电子电路完成的，因此，在结构上省去了换相结构。这类数字电子电路通过换相，分析出运行的具体输入量和反馈量。但是在数字电路的输出过程中，由于输出的信号不强，无法实现电机换相，因此，电机通过驱动电路装置，放大相关输出信号，使得换相过程顺利进行。同时，在电机的速度调整过程中，可以通过软件来进行完成。综上所示，在整个电机的运行中，控制器是关键，起到了承上启下的作用。如图 2-1，无刷直流电机系统的构成；如图 2-2，该种电机的控制原理。
2.2 无刷直流电机的控制原理
在无刷直流电机的构造中，转子是中心部分，其属性为永磁体，在运行中，通过电枢绕组而产生的电枢磁场是，我们称为定子。在绕组的过程中，因为绕组存在通断现象，所以其产生的磁场是不连续的。这类活跃的定子磁场，产生一定的吸引力，使得其与转子磁场趋于同步。假设在定子磁场的运行过程中，其电角度超过了转子磁场，并且达到了 90°，那么定子磁场将带动转子旋转，这样就产生了正的电磁转矩，电机将正向旋转。如果定子磁场落后于转子磁场，且电角度达 90°，那么就会相反产生负的电磁转矩，电机将反向旋转。由此我们可以推断出，如果要使电机能够产生稳定的电磁转矩，确保电机能够同步运行，那么对转子磁场、定子磁场运动模式有特殊要求，即在空间上两者要保持绝对的静止。在无刷直流电机的分类中，通过定子绕组的数量的不同，我们通常将其分为：单相、两项、三项等无刷直流电机。
下面我们将具体以三项星形电机为列，阐述其工作原理。当电机开始运行的时候，定子磁场与转子磁场相互作用，从而形成反电动势。功率逆变器的型号 120°导通型半桥逆变电路。驱动电压与电枢电流波形不同，前者是矩形波，而后者是梯形波；在运行的过程中，一旦两相通电，电枢绕组会出现 6 次转向，在转向的过程中，每个开关管产生的电角度为 60°；在相位上，反动电势与相电流是处于同相位。如图 2-2 ，电机原理图。
在转子位置信号传输过程中，电机通过位置传感器，将相关信号传送给控制器。电机的控制系统通过分析输入和反馈量，从而得出 PWM 信号，并将该信号转送给驱动电路，驱动电路根据 PWM 信号模式，使桥式逆变器正常运转。不同的位置信号，可以得出不同的 PWM 脉宽，从而产生 6 路式的 PWM 脉冲，引导整个电机运行。在导通的过程中，这类三相六状态的电机的运行顺序为：无论出于哪种运行状态，出于导通的 IGBT 开关管只有两个了，并且，这两个开关所出于的位置不同，不在同一桥臂上，在开关的管导通过程中，每 60°进行换相一次，总共可变化 2 次。相关的逻辑顺序为：VT1、VT6— VT1、VT2—VT3、VT2—VT3、VT4—VT5、VT4—VT5、VT6—VT1、VT6。如图（2-3），为 6 个 IGBT 开关管逆变器的顺序图。
在图 2-4（a）中，电机转子借助传感器，将相关位置信息传输到控制器。然后控制器根据接受到的信息，让 VT1、VT6 连接，再经过电机绕组，使得 A、B 通电。电流通过正极传送到 A，然后再经过 B 出来。这其中，A 属于正电压、B 属于负电压。A、B 产生的方向就是Fa，而且保持静止状态。这时，转子产生的磁场方向为 Fr，它的旋转方向就是顺时针。在
图 2-4（b）中，可以清楚的看到转子的位置和方向，然后控制器根据转子的信号促使 VT1、VT2 处于导通状态，在这一情况下，A、C 两组定子就处于导通的状态。这是 A 就为正电压状态，C 为负电压的状态。B 就处于断开的状态。图 2-4（b）就是定子的磁场方向的原理图。
2-4(c)、图 2-4(d)主要表示 VT3、VT2
，VT3、VT4 的工作状态，上述四个点是在转子转过 60 度的角度以后的工作状态。转子每转过一次，电枢就开始一次换流步骤，定子磁场的工作状态就会开始变化一次...