无刷直流电动构造原理与应用.docx

1 绪论
直流无刷电动机发展状况
电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已经遍及国民经济的各个领域，电动
机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种。直流电动机具有运行效率
高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中。但传统的直流电动
机均采用机械电刷的方式进行换向， 存在相对的机械摩擦， 和由此带来的噪声、 火花、
无线电干扰以及寿命短等致命弱点。因此，早在 1917年，Bulgier就提出了用整流管代
替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机 ( BLDCM: Brushless Direct
Current Motor) 的基本思想。
1955年，美国D Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械
电刷的专利，标志着无刷直流电机的诞生。 1978年，原联邦德国 MANNESMANN 公司
的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其 MAC永磁无刷直流电机及其驱动系
统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。二十世纪 80年代国际上对无刷电
机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在 10多年的时间里，
无刷直流电机在国际上己得到较为充分的发展。现代电力电子器件工艺日臻成熟，出
现了功率晶体管 ( GTR) 、可关断晶闸管 ( GTO) 、功率场效应晶体管 ( MOSFET) ，特别
是绝缘栅双极晶体管(IGBT ) , MOS可控晶闸管(IGCT)的开发成功，使无刷直流电机
功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。直流无刷电动机的发展也使得传统的电机
学科同当代许多新技术的发展密切相关。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微
电子技术、 数字信号处理技术、 现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，
如今的无刷直流电机系统己经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件
与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成果。
直流无刷电机控制技术的发展
常规控制器(PID控制)尽管控制精度较高，但它需要建立描述动态系统的精确的
数学模型， 对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的。 比如干扰、 参数漂移和噪声等不可能在很高的精度下进行模型化。
直流无刷电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象，因此利用模糊控制、神经
网络控制、自适应控制、专家系统等具有自学****自适应、自组织功能的智能控制来
进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段，控制器的计算和存储能力的不断增强也 为这些先进控制算法的实现提供了有利的条件。
直流无刷电动机控制技术发展经历了如下的发展过程：
无位置传感器控制
对于无刷电动机，由于它具有体积、重量轻、结构简单、维护方便、运行可靠的
优点所以备受欢迎。但是无刷电动机要实现旋转，就要实时的检测出转子的位置实现
正确换相。 所以位置的检测和换相技术的研究是直流无刷电动机控制目前的一个方面。
最常用的方式是采用传感器的方式。这种方式可以正确的检测转子位置信号，但是由
于传感器的安装不仅会使电机的体积增大，而且传感器也难于安装和维修。因此无传
感器的传动控制引起国内外学术界很大的重视，成为近年的研究热点。
变结构控制
由无刷电机组成的控制系统，为了提高它的控制性能，人们也在使用一些新型的
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，人们开始将直流无刷电机采用变结构控。
(3)模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制
在控制系统中，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也用于直流无刷电机的控制系统，使系统同时兼有两种
方法的优点。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，可达 1:10000 ，定位精度高，在不同的负载下具有较强的鲁
棒性。
直流无刷电动机的工作原理
直流无刷电动机的结构与原理
直流无刷电动机的结构原理如图 2-1 所示 。
图2-1直流无刷电动机的结构原理图
从图2-1可见直流无刷电动机组件主要由电动机本体、 位置传感器和电子开关线路 三部分构成。其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。电动机本体在结构上 与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动装置。其定子绕组一般制成多相 （三相、四相、五相不等
），转子由永久磁钢按一定极对数（Z