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研究永磁无刷直流电机以及控制策略

作者：张帅

来源：《速读·上旬》2016年第08期

摘 要：近年来，节能减排成为我国经济和能源和谐发展重点内容，这一情况大幅推推动了永磁电机在各个行业的发展与应用。无刷直流电机作为永磁电机的中的至关重要的一员，在我国节能高效电机系统的建立与低碳化工业生产和发展起到了非常重要的作用，并以其效率高、寿命长、噪声低以及机械性良好等多种优点，我现代航空、汽车、军事、办公自动化以及家用电器等众多领域中的应用也日益广泛。本文主要就永磁无刷直流电机与其控制策略进行研究和分析。

关键词：永磁无刷直流电机；结构；控制策略

永磁无刷直流电机主要是指串励直流电机起动与并励直流电机调速两种特性同时存在的梯形波或者是方波的直流电机，由电机本体、位置传感器以及功率驱动电路三个部分构成。无刷直流电机有着结构简单、出力强以及使用效率高等多种的优势的。当前，随着现代电机、数字控制、电力电子、传感等技术以及控制理论的进一步发展与应用，无刷直流电的控制技术也发展得越来越成熟，不仅与之相关的生产、制造工艺以及通用技术都实现了规范，而且还形成了如GJB1983—1984与GB/T21418—2008等标准体系，解决了电机优化设计、转矩波动抑制、节能型驱动、无位置传感器控制以及弱磁调速等多个技术难题。 1永磁无刷直流电机的结构组成与控制特性 1.1无刷直流电机的组成结构

1.1.1无刷直流电机内部的定子结构和一般的同步电机与感应电机十分相传，与经常用的普通三相无刷直流电机相比，无刷直流电机的电枢绕组能够进行Y联结或者是△联结，但是同于系统本身的性能与成本两方面的限制，当前电枢绕组多数采用Y联结或者三相对称，并不存在中性点的方式引出电机。

1.1.2无刷直流电机绕组的类型主要分为整距集中式、整距分布式以及短距分布式等绕阻，不同形式的绕组形式其对于电机反电动势的波形的影响也不同，因此电机的实际性能也会存在较大的差异[1]。

1.1.3无刷直流电机的转子结构主要有三种类型，即表面粘贴式、嵌入式以及环形磁形，永磁体使用的材料主要是铝镍钴、钐钴、铁氧体以及钕铁硼等，并且随着现代科学技术水平的提高，许多更优质的复合磁性材料在无刷直流电机中的应用也越来越多。 1.2永磁无刷直流电机的控制特性

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就电动机的设计角度来看，永磁无刷直流电动机的转子磁钢使用的是性能优质的稀土永磁材料，这种材料可以优于磁路设计，让电动机可以得到与方波气非常接近的隙密。该系统运用的是永磁无刷直流电动机有120°电角的顶宽梯形波气隙磁密，定子绕组运用的是三相星形的连接方式，使得永磁无刷直流电动机电磁具有转矩出力非常大、不会出现转矩脉动的情况、电动机相似转矩以及转速等控制特性，与普通 无刷直流电动机比较，其不仅电路简单、可靠，而且综合性能更强。

2 永磁无刷直流电机的转矩波动抑制原理 2.1换相转矩波动的抑制原理

无刷直流电机在运行的过程中，导通状态可以持续较长的时间，这一特性也也是电机稳态电磁转矩大小的决定因素。而换相时的持续时间虽然短一些，但也会对电机的实际性能造成一定的影响。换相暂态的过程越复杂，时间越短，转速与负载越大，使用了可以同的时间开通导通相与关闭关断相两种换相方式，因此，不管怎样对换相的时进行选择，可以减小的转矩波动并不明显，难以取得满意的效果。

2.1自抗扰控制换相转矩波动的抑制原理

当前，集模糊、自抗扰、神经网络以及直接转矩控制等多种技术于一体，对无刷直流电机自身的换相转矩波动进行合理的抑制是一基非常重要的研究。相关研究显示，依据无刷直流电机具备的特性与自抗扰控制器（ADRC）对设计的原则，把电机的等效从两个非线性系统组成的积分式串联型对象，设计成为两个具备一阶自抗扰能力的控制，可以以双闭环的方式对电机进行控制。

3永磁无刷直流电机无位置传感器控制策略 3.1磁链控制法

与反电动势法不同，磁链法需要对磁链进行直接评估后得转子具体的位置信息，并通过测量的方式得到的电压、电流中得到电机磁链，若如果转子的初始位置、电机参数、磁链和转子位置之间的关系为已知，则可以根据评估得出的电机磁链确定出转子的具体位置。运用磁链法对电机进行控制时，需要先明确转子的起动初始位置，以便在积分时得到具体的磁链初始值信息。但要注意的是运用磁链法控制，计算量非常大，因此，如果电机为低速运行，误差会出现累计，而且电机参数如果发生变化也会对计算的准确性产生影响。 3.2反电动势控制法

在所有的无位置传感器控制策略中，反电动势法是技术最为成熟，也是最为常用的一种位置检测法，这种方法把检测得到的反电动势过零点信号之后延迟30°电角度，通过这种方式来获得六个离散转子体的位置信号，进而提供正确的换相信息给逻辑开关电路，达到控制电机无

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位置传感器的目的。运用反电动势法其重点在于怎样对反电动势过零点进行准确的检测，近年来，国内外许多学者都对这种控制法进行了深入的研究，而且提出反电动势积分法、端电压检测法、续流二极管法、反电动势三次谐波法及线反电动势法等检测方式。而在具体的运用中，需要注意在端电压检测中，引入对应的相移补偿措施，以免因为滤波导致端电压相位延迟。 总之，随着现代材料科学的不断发展与进步，各种高性能半导体元器件越来越多，大幅度推动了永磁无刷直流电机发展，不仅使用导磁材料磁性能也有了很大的提升，而且传感器控制技术也越来越成熟，特别是在角位置传感器的精确度、性能以及稳定性都明显提高。 参考文献：

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