1 引言
無刷直流電動機(jī)是一種先進(jìn)的電子驅(qū)動電機(jī)，既具備交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù) 方便的一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好的諸多特點(diǎn) 。盡管無刷直流電動機(jī)以其良好的性能而得到廣泛應(yīng)用，但是在科研實(shí)踐并查閱大量有關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在無刷直流電動機(jī)的研究領(lǐng)域里還有不少問題很值得深入研究。經(jīng)過認(rèn)真的分析，總結(jié)出有待進(jìn)一步研究的5個主要問題，以供無刷直流電動機(jī)的研究和設(shè)計人員參考。
2 基本工作原理［1～3］
與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)相反，無刷直流電動機(jī)把電樞繞組放在定子上，把永磁鋼放在 轉(zhuǎn)子上，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號，通過驅(qū)動電路，驅(qū)動逆變電路的功率開關(guān)元件，使 電樞繞組依一定順序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。
3 有待深入研究的主要問題
3.1 脈動
無刷直流電動機(jī)中，應(yīng)該進(jìn)一步改進(jìn)的首先是轉(zhuǎn)矩脈動。引起轉(zhuǎn)矩脈動的主要因素有：齒槽 效應(yīng)引起氣隙合成磁場發(fā)生畸變，影響電磁轉(zhuǎn)矩；繞組電感的影響使得輸入定子繞組的相電 流不可能是理想的矩形波，使反電動勢與理想波形的偏差加大；相電流換向使得電樞磁場呈 現(xiàn)步進(jìn)性，導(dǎo)致氣隙合成磁場波動，影響電磁轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)；電樞反應(yīng)影響氣隙合成磁場，對 于功率較大的無刷直流電動機(jī)，電樞反應(yīng)的影響更明顯。從上述引起轉(zhuǎn)矩脈動的主要因素可 以看出，轉(zhuǎn)矩脈動的根本原因在于氣隙合成磁場和定子繞組相電流的波動。因此要減小轉(zhuǎn)矩 脈動，就應(yīng)該采取措施保證氣隙合成磁場和相電流的穩(wěn)定。無刷直流伺服電動機(jī)中存在的轉(zhuǎn) 矩脈動使得實(shí)現(xiàn)更精確的位置控制和更高性能的速度控制難度很大，尤其是在直接驅(qū)動應(yīng)用 的場合，轉(zhuǎn)矩脈動更為突出。
3.2 最佳換向
最佳換向［4～5］是為了使無刷直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大，脈動最小，實(shí)現(xiàn)效率最 高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。最佳換向包括最佳換向邏輯和最佳換向位置兩方面的含義，前者解決如 何換向，后者解決什么時候換向。在最佳換向邏輯的研究中，大多是采用一套固定的有關(guān)轉(zhuǎn) 子位置信號和功率開關(guān)管的真值表，而缺乏系統(tǒng)的概括性更強(qiáng)的理論研究。李優(yōu)新等關(guān)于永 磁方波無刷直流機(jī)最佳邏輯解析結(jié)構(gòu)的研究在這方面已經(jīng)邁出了重要的一步。盡管在理想狀 態(tài)下的最佳換向位置已經(jīng)研究得較透徹，但是在電機(jī)實(shí)際工作過程中最佳換向位置的研究還 不夠，實(shí)際運(yùn)行的電機(jī)不同于理想電機(jī)，在理想電機(jī)中所忽略掉的次要因素實(shí)際上都會不同 程度地影響最佳換向位置。因此，這就要求研究和設(shè)計人員在無刷直流電機(jī)實(shí)際工作過程中 的最佳換向投入更多的精力。
3.3 無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測
較為成熟的無位置傳感器位置信號檢測方法主要有4類［6］：反電動勢法、續(xù)流二極管法、電感法和狀態(tài)觀測法。其中“反電動勢法”是最常見和應(yīng)用最為廣泛的一種。但這種 方法的基本原理是建立在忽略電樞反應(yīng)影響的前提下的，這在原理上就存在一定誤差。尤其 是對于大功率無刷直流電動機(jī)，電樞反應(yīng)對氣隙合成磁場的影響更明顯，使得反電動勢 過零點(diǎn)與總的感生電動勢過零點(diǎn)不重合，誤差更大，導(dǎo)致檢測出的轉(zhuǎn)子位置誤差增大。當(dāng)電 機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低時，反電動勢為零或很小，很難通過反電動勢過零點(diǎn)檢測來得到正確的位 置信號，使電機(jī)起動困難，且嚴(yán)重影響了電機(jī)的調(diào)速范圍。因此，研究如何在大功率無刷直 流電動機(jī)中補(bǔ)償反電動勢法造成的轉(zhuǎn)子位置信號誤差，研究如何克服反電動勢法中電機(jī)起動 困難，以及擴(kuò)大電機(jī)調(diào)整范圍就成為十分重要的課題。而這些問題歸根結(jié)底是要研究在無位 置傳感器無刷直流電動機(jī)中如何更精確地檢測轉(zhuǎn)子位置信號。近年，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ，特別是數(shù)字信號處理器的應(yīng)用和推廣，使得位置檢測可以通過IC芯片配合適當(dāng)算法的軟件 而實(shí)現(xiàn)。采用DSP以實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的位置已成為研究熱點(diǎn)和趨勢。
3.4 控制算法
采用數(shù)字信號處理器的數(shù)字控制電路［7～8］將是無刷直流電動機(jī)中控制系統(tǒng)設(shè)計的 發(fā)展方向。以DSP芯片為核心的控制系統(tǒng)并不是一個純硬件的控制電路，它還必須配合軟件系統(tǒng)才能控制無刷直流電動機(jī)正常工作。這也為控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來更大的靈活性。軟件設(shè)計就必然涉及到控制算法的研究和應(yīng)用。無刷直流電動機(jī)中速度、電流控制必須由硬件系統(tǒng)配合具有正確控制算法的軟件系統(tǒng)才能得到良好的閉環(huán)控制效果。而不同的控制算法將會直接影響控制效果的好壞。因此，研究先進(jìn)的控制算法就成為設(shè)計無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的一個重要方面。而過去難以在運(yùn)算較慢的微處理器上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的控制算法，現(xiàn)在則可以借助DSP實(shí)時高速的運(yùn)算處理能力得以實(shí)現(xiàn)。所以，研究已經(jīng)較成熟的復(fù)雜控制算法在DSP上的應(yīng)用也是一個重要的方面。
3.5 抗干擾
電磁兼容在應(yīng)用電子線路中已日益受到人們的重視。無刷直流電動機(jī)是一種電子電機(jī)，同樣 有抗干擾和防止對外界干擾的要求。無刷直流電動機(jī)控制器是強(qiáng)、弱電共存的電路，對于采 用PWM高頻調(diào)制脈沖的控制器，高的調(diào)制頻率很容易對控制器其他線路產(chǎn)生干擾，必須認(rèn)真 處理其間的電磁干擾和電磁兼容問題。另外還存在地線的干擾。盡管抗干擾對于無刷直流電 動機(jī)的設(shè)計是相當(dāng)重要的，但卻易被研究和設(shè)計人員所忽視，所以對無刷直流電動機(jī)的抗干 擾進(jìn)行研究很有必要。
4 結(jié)語
除了上述的5個主要問題外，在無刷直流電動機(jī)研究中諸如起動、調(diào)整、繞組換相對電流變 化產(chǎn)生的電抗電勢干擾等也值得作進(jìn)一步研究。這些問題都是相互聯(lián)系和相互影響的，其中 任何一個問題的妥善解決，對改善和提高無刷直流電機(jī)的性能，都是積極和有益的。
