永磁无刷直流电机及其控制

发表时间：2018-06-25T16:26:36.727Z 来源：《电力设备》2018年第4期 作者： 赵斌

[导读] 摘要：永磁无刷直流电机有着高效率、长寿命、低噪音和机械性能好的显著优势，在航空航天、汽车、家用电器和军事等领域应用广泛。

（哈尔滨工大深能电机有限公司 150001）

摘要：永磁无刷直流电机有着高效率、长寿命、低噪音和机械性能好的显著优势，在航空航天、汽车、家用电器和军事等领域应用广泛。随着社会经济和科学技术的高速发展，工业生产技术水平得到了很大提升，永磁无刷直流电机取得了显著的发展成就，与传统永磁有刷直流电机对比而言，现代永磁无刷电机保障各项设备安全稳定运行的能力更强，具有良好的控制性能，有利于提高企业的生产效率。基于此，本文将概述无刷直流电机的基本结构和工作特点，并探讨永磁无刷直流电机控制技术。 关键词：永磁无刷电机；控制技术；智能控制

如今，节能减排已经成为经济与能源可持续发展的必由之路，是我国工业化发展的重要方向和重要目标，永磁无刷直流电机有着低耗能、高效率和应用广的显著优势，是国家大力支持的绿色环保高新技术项目，符合目前机电产品小型化、模块化和智能化的发展要求，具有很广的发展前景。在材料科学技术高速发展的背景下，高性能半导体元器件不断涌现，导磁材料磁性有了大幅度提高，这是推动电机行业快速发展的重要力量，与此同时，传感器技术的进步，直接增强了角位置传感器的性能、精度和稳定性，大大提高了永磁无刷直流电机的控制精度，所以，探讨永磁无刷直流电机及其控制技术，有利于充分发挥我国是世界上最大稀土储藏国这一优势，对推动高效节能电机系统构建和促进工业生产低碳化具有重要意义。 一、无刷直流电机基本结构与工作特点

无刷直流电机取消了电刷，以此来实现无机械接触式换相，而且把永磁磁钢和电枢绕组分别放在了转子侧和定子侧，这样就构成了“倒装式直流电机”结构，要准确地控制电机转速和转向，无刷直流电机需要具备由转子位置传感器与逆变器共同组成的换相装置，其定子结构和普通同步电机或感应电机类似。针对一般的三相无刷直流电机，Y联结或者△联结是常见的电枢绕组结构，由于需要兼顾投入成本和系统性能，比较常用的则是Y联结和三相对称且无中性点引出的电机方式。短距分布式、整距分布式和整距集中是无刷直流电机主要的绕组形式，绕组方式在很大程度上决定着电机的反电动势波形，对电机的性能带来很大的影响，通常情况下，整距集中绕组可以获得很好的梯形反电动势波形，而采用短距绕组则会在一定程度上削弱转矩波动。环形磁极、嵌入式磁极和表现粘贴式磁极是转子结构的三大形式，钕铁硼、钐钴和铁氧体等是永磁体常用的材料，随着材料科学的快速进步，复合磁性材料逐步在无刷直流电机中得到应用。磁敏式、光电式和电磁式是无刷直流电机普遍应用的位置传感器，Hall传感器属于磁敏式位置传感器，具有使用便利、成本小和体积小的优点，广泛应用于无刷直流电机控制系统，采用独特的集成电路能够把Hall传感器位置信号转换为数字信号，推动无刷直流电机控制朝着数字化与智能化的方向发展。

二、永磁无刷直流电机控制技术 1.反电动势法控制

在不必要采用精确反馈控制技术和产品空间有限的情况下，可以不装位置传感器，也不需要利用开环控制的方法，是通过电机自身的反电动势获取采集信号，从而来科学调解和控制电机，反电动势法是如今应用范围最广且技术最成熟的无位置检测方式。永磁无刷直流电机各项反电势随相应转子改变的电机控制技术是反电动势法的重要基础，采用此技术把检测获取的反电动势过零点信号延迟电角度30°，从而获取六个离散的转子位置信号，向逻辑开关电路贡献可靠的换相数据，以此来达到无位置传感器控制的目的，准确判断反电动势过零点位置是反电动势法的关键技术，反电动势三次谐波法和端电压检测等是常用的检测方式。 2.转矩脉动控制

由于永磁无刷直流电机缺少换向器与电刷，必须要在电机内部实现换相，电机在实际运行时会产生转矩脉动，出现这一情况的主要因素则是电流换相和机械齿槽机构。其中电流换相是电机工作中难以避免的，由于电机中的各项绕组会一直发生一定的变化，只要绕组经过一个相点，绕组电流就会产生切换现象，从而导致电磁转矩脉动现象，采用重叠换向、电流反馈等方法可以抑制转矩脉动。而利用定子斜槽和转子斜极的方法可以减轻甚至消除齿槽引发的转矩脉动，此方式具有很强的可行性。同时采用无槽结构电机也可以避免这一现象，利用钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料可以抑制由齿槽引发的转矩脉动，但是这一方法的实施需要很大的资金支持。 3.智能控制

非线性、变参数和时滞性是传统电机控制系统的主要弊端，不能够实现高性能、高精度电机控制。随着人工智能技术的快速发展，人工智能算法的研究与应用已经成为科学界人士关注的热点话题，蚁群算法、人工神经网络等是比较普遍的人工智能算法，促使人工智能算法与永磁直流无刷电机控制充分融合，能够规避传统控制方式的弊端，再加上人工智能算法对物理模型的要求不高，在非线性方面有着很强的应用优势。随着计算机技术的迅猛发展，高性能、集成化单片机和DSP的产生，为永磁无刷直流电机的人工智能控制奠定了良好的基础，由于人工智能算法有着较强的复杂性，相关技术人员需要考虑各种复杂条件，需要多次调试和验证，才能保障永磁无刷电机的精确稳定运行。 三、结论

总而言之，在科学技术快速发展的新形势下，永磁无刷直流电机及其控制技术也呈现出较快的发展态势，电机运行的精准性和稳定性大大增强，再加上计算机信息技术的发展，永磁无刷直流电机控制技术与人工智能技术的融合将是目前和未来一段时期的重要发展趋势，相关技术人员要不断加大对永磁无刷直流电机及其控制技术的研究，推动永磁无刷直流电机技术快速发展，为我国工业化发展提供技术支持。

参考文献：

[1]张晓宇，陈志南.低速永磁无刷直流电机及其控制探析[J].山东工业技术，2017(10)：21-22. [2]吴高杰.永磁无刷直流电机控制技术研究及应用[J].科技传播，2016，8(10)：205-206. [3]赵政.永磁无刷直流电机控制系统设计研究[D].中国矿业大学，2016. [4]刘波.永磁无刷直流电机控制系统研究[J].煤矿机电，2010(02)：17-19.