无刷DC电机的应用与发展
DC电机因其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用。但是，普通的DC电机需要机械换向和电刷，可靠性差，需要经常维护。换向过程中会产生电磁干扰和噪声，影响DC电机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换向带来的缺点，电子换向代替机械换向的无刷电机应运而生。1955年，美国人D. Harrison等人首次申请了用晶体管换向电路代替机械电刷的专利，这标志着现代无刷电机的诞生。1978年，经典的MAC用无刷DC电机及其驱动器问世，电子换向无刷DC电机真正进入实用阶段。之后，世界上对无刷DC电机进行了深入的研究，先后发展为方波无刷电机和正弦波无刷DC电机。近20年来，随着新型永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的发展，特别是大功率开关器件的发展，无刷电机取得了长足的进步。无刷DC电机不仅是电子换向的DC电机，也是有刷DC电机外特性的电子换向电机[1]。
无刷DC电机不仅保持了传统DC电机良好的动静态调速特性，而且结构简单，操作方便，易于控制。其应用从最初的军事工业迅速发展到航空航天、医疗、信息、家电和工业自动化。
在结构上，与无刷DC电机不同，无刷DC电机的定子绕组用作电枢，励磁绕组由永磁材料代替。根据流入电枢绕组的电流波形不同，DC无刷电机可分为方波DC电机(BLDCM)和正弦波DC电机(PMSM)。BLDCM用电子换向代替了原来DC电机的机械换向，用永磁体作为转子，省去了电刷。另一方面，PMSM用永磁材料代替同步电机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在同等条件下，驱动电路更容易获得方波，控制简单，因此无刷直流电机的应用比PMSM广泛得多[2]。
无刷DC电机一般由三部分组成:电子换向电路、转子位置检测电路和电机本体。电子换向电路一般由控制部分和驱动部分组成，转子位置的检测一般由位置传感器完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子的位置，有序触发驱动电路中的各个功率管进行有序换向，驱动DC电机[3]。本文从三个部分分析了无刷电机的发展。
2各组成部分的发展状况
2.1电机体
无刷DC电机的电磁结构与无刷DC电机基本相同，但其电枢绕组放在定子上，转子采用的重量简化了结构，改善了性能，提高了可控性。无刷电机的发展离不开永磁材料的发展。磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个阶段:铝镍钴、铁氧体磁性材料、钕铁硼。钕铁硼是一种高磁能产品，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步降低了电机用铜量，促进了无刷电机向高效、小型化、节能方向发展[4]。
目前，为了提高电机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，定子齿槽和电枢线圈在空间上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴线流动。这种结构提高了气隙磁密，可以提供比传统电机大得多的输出转矩[5]。这种类型的马达正处于研发阶段。
2.2电子换向电路
控制电路:无刷DC电机通过控制驱动电路中的功率开关器件，控制电机的速度、转向和扭矩，保护电机，包括过流、过压和过热保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，很多硬件任务可以直接用软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，提高控制电路的抗干扰能力，所以控制电路已经从模拟电路发展到数字电路。
目前控制电路一般有三种形式:ASIC、微处理器和数字信号处理器。在对电机控制要求不高的情况下，用专业集成电路构成控制电路是一种简单实用的方法。由于数字信号处理器运算速度快，外围电路少，系统组成简单，DC无刷电机的组成大大简化，性能大大提高，有利于电机的小型化和智能化，所以数字信号处理器是控制电路的发展方向[6]。
驱动电路:驱动电路输出电功率，驱动电机的电枢绕组，受控制电路控制。驱动电路由大功率开关器件组成。正是因为晶闸管的出现，DC电机实现了从有刷到无刷的飞跃。但晶闸管是半控开关器件，只有控制导通的能力，没有自关断能力，开关频率低，不能满足无刷DC电机性能的进一步提高。随着电力电子技术的快速发展，全控型功率开关器件不断涌现，包括可关断晶体管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、金属栅双极晶体管IGBT模块、集成门极换向晶闸管(IGCT)和新开发的电子注入增强型门极晶体管(IEGT) [7]。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电机驱动电路也发展迅速。目前，全控开关器件正逐渐取代电路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管。驱动电路由线性放大状态变为脉宽调制开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路变为模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化和小型化创造了条件。
2.3转子位置检测电路
永磁无刷电机是一个闭环机电一体化系统，它利用转子磁极位置信号作为电子开关电路的换向信号。因此，准确检测转子位置并根据转子位置及时切换功率器件是无刷DC电机正常运行的关键。
使用位置传感器作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。位置传感器一般安装在转子的轴上，实现对转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，笨重复杂，已经被淘汰。目前，无刷DC电机中广泛采用磁敏霍尔位置传感器，还有光电位置传感器。位置传感器的存在增加了无刷DC电机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时，传感器不可避免地磨损，难以维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，因为传输线太多，容易引入干扰信号；由于信号由硬件采集，进一步降低了系统的可行性。为了适应无刷电机的进一步发展，无位置传感器应运而生。一般是利用电枢绕组感应的反电动势来间接获得转子磁极的位置。与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电机的结构，取得了良好的效果，应用广泛。但是对于检测*反电动势位置的无传感器无刷电机，由于静止时不产生反电动势，如何平稳启动是需要解决的问题。
近年来提出了一种新型无传感器无刷电机，它不是利用反电动势来检测转子位置，而是利用附着在转子表面的非导磁材料和定子绕组高频开关工作时对非导磁材料的涡流效应，使开路相电压随转子位置而变化，从而通过检测开路相电压来判断转子位置。这种无传感器无刷电机克服了一般无传感器无刷电机的启动和低速运行问题，但这种方法需要一种特殊的电机。
3需要研究的问题
3.1扭矩波动
目前，无刷DC电机的主要问题是转矩脉动。由于转矩脉动的存在，无刷DC电机在交流伺服系统中的应用受到了限制，尤其是在直接驱动应用的情况下，转矩脉动使得电机的速度控制特性变差。无刷DC电机，特别是用于视听设备、电影机械和计算机的无刷电机，要求运转平稳，无噪音。因此，抑制或消除转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。
产生转矩脉动的主要原因有:齿槽效应和磁链畸变引起的转矩脉动；谐波引起的转矩脉动；由于电枢等效电感的影响，换向电流引起的转矩脉动。目前，高校和科研机构对转矩脉动进行了深入的研究，并根据不同的原因提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，从而不同程度地提高了无刷电机的性能。但这些研究都提出了一些削弱或补偿原有结构和方案的方法，并没有从原理上或根本上消除转矩脉动。因此，转矩脉动需要进一步研究。
3.2无位置传感器的转子位置检测
无位置传感器的转子位置检测方法主要有反电动势法、续流二极管法、电感法和状态观察法。其中，反电动势法是最常见、应用最广泛的方法。然而，在忽略电枢反应的基础上，这种方法在原理上有误差。对于大功率无刷电机，电枢反应对气隙磁密的影响更明显，误差也更大。另一方面，当电机启动且低速时，反电动势为零或很小，因此很难通过反电动势检测转子位置，无位置传感器的无刷电机存在启动问题[9]。因此，如何补偿大功率无刷电机中反电动势法引起的转子位置信号误差，如何克服反电动势法中电机的启动问题，是亟待解决的问题。对于启动问题，一般采用其他方式启动，然后切换到无传感器运行的运行方式。
4无刷DC电机的发展方向
随着电子技术和控制技术的发展，通过芯片匹配合适的算法可以实现位置检测。高速微处理器、DSP器件和专用控制芯片的出现，大大提高了运行速度和处理能力。可以利用DSP固有的计算能力在无刷电机上实现无传感器控制[10]。利用DSP实现无传感器控制已经成为研究热点，而低成本的DSP无传感器无刷电机已经成为无刷DC电机的发展方向。