无刷电机毕业论文

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1 1 绪论

1.1无刷直流电机的概况

普通直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产各个领域，由于

其宽阔而平滑的优良调速性能，在相当长一段时间内曾一直是调速系统的首选

电机。但是机械换向装置的存在限制了其发展的应用范围。直流电动机的机械

电刷和换向器因强迫接触造成了其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列

问题，影响了直流电动机调速精度和性能。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发展，特别是大功率半导体的研制成功为创造新

型的无刷直流电动机带来生机。1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代

替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线

路来代替有刷直流电动机机械换向装置，出现了磁电耦合式，光电式及霍尔元

件作为位置传感器的无刷直流电动机。之后，人们发现电势波形和转子磁场的

位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中的不同电势波

形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。80年代初，无刷直流电机进入了

实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。“无刷直流电机”的概

念已经由最初的具有电子换向器的的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电

机外部特性的电子换相电机。现在，无刷直流电机集电机，变速机构，检测元

件，控制软件和硬件于一体化，形成为新一代电动调速系统。无刷直流电机具

有最优越调速性能，主要表现在调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性

能好(启动转矩大，启动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工

业到民用极其广泛。

1.2无刷直流电机的定义

无刷直流电机是伴随着电力电子开关器件和永磁材料的发展而发展起来

的。从有刷到无刷，从半控元件到全控元件，发展过程中各种新结构不断涌现，

电机结构和控制方式也层出不穷。但是这也在一定程度上带来了无刷直流电机***大学毕业设计(论文)说明书

2 定义上的混乱。目前的永磁同步电动机都采用了自关断器件构成变频器供电。

由于采用变频起动，现在永磁同步电动机的起动无需附加鼠笼。同时为了确保

不出现失步现象，在电机上安装有转子位置检测装置，构成了根据转子速度实

现频率控制的正弦波永磁无刷直流电机。可以看出，正弦波永磁无刷直流电机

实质上就是一台带转子位置检测器的自控式永磁同步电机。在此基础上人们发

现，当永磁体产生的气隙磁密在空间方波分布时，若控制定子相电流亦为方波，

就可产生恒定的电磁转矩，而且能产生比相同尺寸的正弦波永磁无刷直流电机

更大的转矩。这种磁密为方波(反电势为梯形波)、相电流为120。的方波的无刷

直流电机也被称为方波永磁无刷直流电机，或称为Brushless DC

Motor(BLDCM)。正弦波永磁无刷直流电机与方波永磁无刷直流电机的不同在于

两类电机的磁场波形不同。为获得不同的反电势波形，定子绕组结构和转子磁

极的形状都有相应的差异。正弦波永磁无刷直流电机的反电势正弦，必须通以

正弦波形的绕组电流才能产生平滑的电磁转矩。方波永磁无刷直流电机反电势

梯形波，必须通以方波的绕组电流，并与电机反电势保持一定的相位关系，才

能产生平滑的电磁转矩。

为了科学界定无刷直流电机与其他类型电机，许多学者作了大量工作，其

中A.Kuske在1988年提出包含电机本体与电路形式在内的无刷直流电机的定义

逐渐被广泛接受。他提出无刷直流电机必须满足以下5个条件：

1. 电机由定子电枢绕组和转子永磁体构成；

2．逆变器直流供电；

3．电机速度正比于直流电压；

4．逆变器矩阵开关函数决定定子绕组的端电压；

5．转子位置检测器的逻辑决定逆变器开关的导通时序。

1.3 无刷直流电机控制的国内外现状

无刷直流电机既具有传统直流电机的优点，如较好的机械特性和调节特性，

起动转矩大、过载能力强、调节方便、动态特性好等，又具有交流电动机结构***大学毕业设计(论文)说明书

3 简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，故在许多高科技领域得到了非常广

泛的应用，如激光加工，机器人，数控机床，大规模集成电路制造设备、雷达，

潜艇和各种军用武器随动系统，以及柔性制造系统(FMS)等。同时人们对其控制

性能要求也不断提高，因此，研制高性能的无刷直流伺服电机的控制系统成为

一项普遍关注的课题。

(1) 无位置传感器控制

对转子位置的检测和换相技术的研究是无刷直流电动机伺服控制的一个方

面，传统的方法是采用位置传感器，为了减轻系统的负担，国外的一些学者提

出无位置传感器法。特别是在1980年，H.Lehuy等人提出厂利用转子旋转时定子

绕组中的感应电动势进行位置检测，这就是所谓的“反电动势法”1990年，

s.ogasawara提出了续流二极管法，它通过检测反向并联在驱动三极管上的二极

管的导通状态来得出转子的位置。

在国内也开展了相关的研究，利用三相反电动势中的三次谐波分量来检测

位置，这种方法是基于三次谐波信号同转子磁通和负载情况保持有恒定的相位

关系的原理而产生的，它对逆变器开关造成的噪声不敏感，因而可精确确定转

子的位置。采用端电压检测法，结合80C51单片机对无刷直流电机进行控制，实

验结果表明，低速和高速时检测位置准确，系统运行良好。但是由于定子反电

动势和电机的转速成正比，所以在电机静止时反电动势为零，没有换相信号，

电机不能自起动。为了实现启动必须外加起动信号，使电动机转子向确定的方

向加速，绕组中产生反电动势，然后再用模拟开关切换到反电动势检测换相的

方式。文献1在文中详细比较了用于无位置传感器的无刷电机起动方式。在起

动方式中主要有外同步方式和预定位方式两种。外同步驱动方式起动是以变频

方式同步拖动电机转子旋转，需要专门的脉冲分配电路提供各相导通的控制信

号，因此起动电路比较复杂;预定位方式起动的控制电路相对简单，但是为了起

动可靠，必须设计起动控制电路并且合理的调整电路参数。目前对电路要求比

较简单的起动方法是，起动时首先施加激励电压，应用主动检测方法，测得响***大学毕业设计(论文)说明书

4 应电流，利用相电流相电感的关系得出转子的初始位置，这里要求确切地知道

相电流和相电感的关系。

(2) 变结构控制

为了提高无刷电动机控制系统的性能，人们也在使用某些新型的控制策略。

变结构控制由于具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物

理实现简单等优点，成为研究关注的焦点。变结构开关模式既可以由系统的传

递函数导出，也可根据系统的最大速度、最大加速度等系统参数设计，都会使

系统的位置控制达到较好的控制效果。文献2分析了BLDCM伺服系统的开环模

型，利用时间最优控制的思想，设计了变结构控制器，并给出了开关模式。他

们把其理论应用于由IGBT逆变器、80C196KB单片机和无刷直流伺服电机组成

的实验系统，实验结果表明在360转给定下，系统的定位精度较高。

(3) 模糊控制和神经网络控制

在伺服控制系统中，如何在较宽调速范围内提高电流调节特性以及减小力

矩波动一直是伺服系统研究的焦点，模糊控制是近年来研究的热点，它不依赖

于被控对象的精确的数学模型，对系统的动态响应有较好的鲁棒性；PID控制方

法可以很好的消除系统的稳态误差，所以人们将两者结合用于无刷直流电机的

伺服控制系统，使系统同时兼有两种方法的优点。把这一控制方案应用于以8098

单片机为核心，由IGBT逆变器和三相无刷直流伺服电机等组成的系统上，实验

结果表明，采用Fuzzy－PID复合控制，系统具有Fuzzy和PID控制的双重优点，

响应快，速度无超调，调速范围宽，在不同的负载下具有较强的鲁棒性。神经

网络既具有非线性映射的能力，能够逼近任何线性和非线性模型，又具有自学

习、自收敛性，而且对被控对象无需精确建模，对参数变化具有较强的鲁棒性。

由于神经网络算法的优点，人们开始研究神经网络控制算法并且将其应用在无

刷直流电机伺服控制中。

随着各种控制算法的出现，对无刷电机控制器的要求也越来越高，微处理

器是比较常用的一种控制形式，51系列、96系列等很多种单片机都在无刷电机***大学毕业设计(论文)说明书

5 伺服控制系统中出现过，但是由于许多算法对运算的速度要求很高，致使在许

多的以单片机为核心的控制系统中不能实现，只能停留在计算机仿真阶段，其

控制效果得不到实践的检验。为了提高运算速度并且方便无刷电机的伺服控制，

现在出现了很多专门用于无刷电机控制的专用芯片，例如SIEMENSC504微控制

器、AD公司的ASMC401、ADSPZ171，MC33035等。随着数字处理器件(DSP)

的发展，其运算的快速性越来越受到人们的关注，并且成为无刷直流电机控制

应用中最热门的处理芯片，许多优良的控制算法，都可以在其上实现。现在很

多厂商都开始专门开发适用于电机控制的数字信号处理器，在这其中TI公司的

2000系列是最具有代表性电机控制芯片。无刷直流电机是当今效率最高的调速

电机之一，与其相关的控制技术研究是当今电机领域的热门课题，其中有很多

问题值得深入研究，如无刷直流电机的转矩脉动、最佳换向和转子位置检测问

题。本文对相关的主要问题进行了研究。

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6 2 无刷直流电机的结构、工作原理及数学模型

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。电动机本体在结构上和永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他起

动装置。其定子绕组一般为多相(三相、四相、五相不等)结构，转子按一定极对

数(2p=2,4,⋯)组成。三相两极无刷直流电动机的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接。A，B ,C 三相绕组分别与功率开关V1,V2,V3

相连接，位置传感器跟踪转子部分与电动机转轴相联接，这里需要说明一下，

无位置传感器无刷直流电动机数字控制系统并没有位置传感器。由于位置传感

器的作用是获取电动机的转子位置信号，因此通过其他方法而不依靠位置传感

器确定转子位置，只不过是实现的途径不同而己。当定子绕组的某一相通电时，

该相电流与转子磁场相互作用，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，从而使定子各相绕组按一定的次

序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换向。电子开关线路的

导通次序与转子转角同步，它起到了与机械换向器相同的换向作用。

图2-1 无刷直流电动机组成框图

永磁无刷直流电动机

电子开关线路 电动机本体 位置传感器

功率逻

辑开关 位置信

号处理 永磁体

(转子) 三相绕

组(定子) 传感

器定子 传感

器转子