永磁無刷直流電機調速控制系統的設計研究

摘要：隨著我國對新能源產業的加大投入，對耗能企業節能減排的號召，永磁無刷直流電機憑借其快速、可控、可靠、質輕體積小、節能、效率高、經濟實用等優勢成為能源產業最為關鍵的一環，永磁無刷直流電機得到了廣泛應用，并且發展前景良好，發展空間大。基于上述原因增加對永磁無刷直流電機控制系統的研發力度和投入勢在必行，并且這一研究成果的出現將帶來不可估量的應用價值和經濟效益。本文通過從永磁無刷直流電機的研究背景、研究意義、結構組成、工作原理、硬件電路設計、軟件設計等不同的技術層面進行分析，對永磁無刷直流電機控制系統的研發進行了深入探究。

關鍵詞：永磁無刷直流電機;控制系統;軟硬件設計

0 ?引言

隨著人類工業社會的迅速發展，能源危機是21世紀各個國家所面臨的重大危機，也是要實現可持續發展所必須解決的難題。永磁無刷直流電機的發展歷史可以追溯到上世紀四十年代，直到八十年代初期，在釹鐵硼稀土這一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生產力迅速提升，制造投入減小的影響，永磁無刷直流電機行業迎來了蓬勃發展。

近三十年來，隨著科學研究的深入，永磁體性能得到了躍進式的提升，相應的電力電子器件的完善和蓬勃發展也促進了這一行業的迅猛發展。永磁無刷直流電機控制系統研究方向與現代電力電子技術、現代控制理論、電機集成技術和微機技術等學科密切相關，相輔相成。科學家們通過對其研究背景、研究意義、結構組成、工作原理、數學模型、硬件電路設計、軟件設計等方面的深入研究，使得永磁無刷直流電機在擁有良好調速性能的情況下，機械換向和電刷等歷史研究中出現的難點獲得了解決，目前永磁無刷直流電機的用途遍布各行各業，小到家用電器，大到航空航天，都有永磁無刷直流電機的身影，發展前景不可估量。

1 ?研究背景與意義

從上世紀四十年代至今，永磁無刷直流電機的發展在實際應用上與永磁材料的突破性研究，生產力迅速提升，制造投入減小，電力電子器件的迅猛發展息息相關，在理論研究上與現代電力電子技術、現代控制理論、電機集成技術和微機技術等學科的深入研究息息相關。由于其所具有的大功率、大轉矩、高速度、高性能、微型化和數字化等特點決定了該行業寬廣的發展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。目前永磁無刷直流電機在各行各業都得到廣泛的應用，小到家用電器，大到航空航天，都有永磁無刷直流電機的身影。

基于上述原因，對永磁無刷直流電機的控制系統進行合理的、科學的、系統的研究探索是非常重要且必要的，這是現代工業發展和機電一體化所提出來的必須進行的挑戰，這一研究具有深遠的理論意義和實際應用價值，并且會給整個社會和相關行業帶來巨大的經濟效益。

2 ?永磁無刷直流電機工作原理

無刷直流電機在市場上流通最為廣泛，應用最為全面的類型主要是以下兩種：方波電流驅動的電機，也就是無刷直流電機;正弦波電流驅動的電機，也就是永磁同步電機。本文主要進行探索的是以方波驅動的電機，也就是無刷直流電機。

2.1 永磁無刷直流電機結構

研究永磁無刷直流電機調速控制系統的第一步是要了解永磁無刷直流電機的結構，它的器件構成主要包含電機本體、位置傳感器和電子開關線路。永磁無刷直流電機主要是放定子繞組的定子和嵌入永磁磁體的轉子兩大部分構成。

2.1.1 轉子結構

永磁無刷直流電動機按照永磁體在轉子上的安放方式進行分類分為埋入式永磁體、表面貼裝式永磁體、內置式永磁體三種。表面貼裝式永磁體結構最為常用，內置式永磁體結構適用于電機的弱磁控制，但是漏磁現象比較嚴重。

2.1.2 定子結構

定子結構的主要功能是形成良好的磁路，便于多相繞組的安放。定子結構包括定子鐵芯和定子繞組兩部分，可以分為以下三大類：分數槽結構、無齒槽結構和整數槽結構。分數槽結構的定子擁有繞組端部體積小，繞組利用靈高，但是永磁體的利用率相對較低。無齒槽結構的定子無法有效釋放繞組內部熱量，導致溫度高，結構的設計上導致需要使用更厚的永磁體，成本投入

過高。

2.2 永磁無刷直流電機工作原理

研究有刷直流電機的工作原理是探索永磁式永磁無刷直流電機的工作原理的基礎，首先需要了解有刷直流電機的定子永磁體作用是形成磁場，產生的磁場用以驅動轉子繞組旋轉。當轉子繞組在旋轉期間，換向器進行換向，這樣才可以保持繞組在磁場中受到方向的一致的力。而永磁式無刷直流電機的工作原理則是在有刷直流電機工作原理的基礎上，進行深入發掘和優化，轉子繞組被永磁體替換，當由永磁體組成的轉子繞組在旋轉期間，便可以形成旋轉磁場。而電子換向器作用于定子繞組，使磁場跟隨轉子旋轉，進一步令轉子受到大小和方向一致的力。

3 ?控制系統的軟硬件設計

在選擇控制策略時要考慮到電機本體和負載的慣性導致的系統延遲問題，轉子電樞反應問題，磁路飽和現象，無刷直流電機的強非線性問題以及受到多變量影響的的強干擾問題等。在控制策略中被控量有速度和轉矩。目前行業內受到認可，應用廣泛并且控制效果良好的控制理論有以下理論：經典控制理論、模糊控制、神經網絡控制、滑模變結構控制等。

3.1 硬件系統的電路設計

硬件系統的電路設計要求首先應該實現所有電氣信號的采集和轉換，將模擬信號變成數字信號，其次要有過壓保護和過流保護，最后應該考慮電機系統的散熱問題，以及系統的穩定和可靠性，提高系統抗電磁干擾能力。為應對這一系列要求所提出的挑戰，永磁無刷直流電機調速控制系統的軟硬件在結構設計上通常如下：

永磁無刷直流電機調速控制系統的硬件系統包括主電路和控制電路兩大部分。硬件系統主電路設計又分為主電路拓撲結構設計和驅動模塊設計。永磁無刷直流電機調速控制系統的硬件系統的控制電路包括有主控芯片及其外圍電路、驅動隔離電路、霍爾位置和無傳感器檢測電路、電壓電流采樣電路、電源電路。

3.2 軟件設計

控制系統的正常運行離不開硬件系統和軟件系統的緊密配合，二者相輔相成。硬件電路是整個控制系統的基礎部分，相當于控制系統的身體，而軟件系統用于控制硬件系統工作，相當于控制系統的大腦，二者缺一不可。軟件系統的主程序包括以下幾個模塊：各系統的初始化，判斷各系統當前狀態（對狀態的標志位置進行掃描識別和判斷），通訊功能模塊和中斷循環模塊。

3.3 在新能源汽車中的應用

新能源汽車的快速發展將是目前緩解資源緊張和環境污染問題的最為有效的辦法。與普通燃油汽車相比較，新能源汽車能夠極大的減少化石燃料的消耗，進一步降低目前人類所面臨的能源壓力，緩解電力系統的負荷。永磁無刷直流電機憑借其優轉矩良、轉速特性良好的特點，可以更好的滿足新能源汽車對電機驅動系統需要的高性能控制指標這一要求。

新能源汽車的核心部件便是驅動電機及其控制器，因為只有擁有優良的控制策略才會有優良的控制性和舒適度。永磁無刷直流電機憑借其獨特的結構組成，優良的轉速控制特性成為新能源汽車電機控制系統的首選?，F階段新能源汽車按照驅動方式不同可以分為三大類，分別是純電驅動、混合動力驅動、燃料電池驅動。在新能源汽車的研發和制造過程中，動力系統是新能源汽車整車開發的關鍵內容，動力系統由電機、電池、電控三大系統構成，而電機系統在其中是至關重要的一個環節。也就意味著由驅動電機及其控制器組成的電機驅動系統的性能是否優異這將直接決定新能源汽車的性能。

首先，永磁無刷直流電機從能量損耗上看，它采用永磁體轉子，沒有勵磁損耗;從機械結構上看，它也沒有換向器和電刷等機械換向結構，不易發生故障;它具有能量密度大，運行效率高、可靠性好、輸出扭矩大等優點，是傳統電機無法實現的，因此永磁無刷直流電機受到國內外新能源汽車領域的廣泛關注。其次，永磁無刷直流電機的控制技術和實現方式這是直接影響新能源汽車整體性能的關鍵因素，因此，永磁無刷直流電機控制器設計研究有著極為重要的研究價值、經濟效益和現實意義。

目前，在新能源汽車行業內，基于數字信號處理器和可編程邏輯門器件的無刷直流控制器使用場合有限，因為它目前存在的成本昂貴、電路設計的結構復雜、功能擴展性差等問題無法得到解決和改善。而使用控制芯片作為永磁無刷直流電機控制器的核心，與硬件電路設計和軟件算法配合使用的方式，憑借其低的功率消耗、實時反饋性能良好、處理速度快、接口多、功能豐富多樣化的優勢，得到了廣泛的應用，用來實現新能源汽車性能的提升。實時通信、實時監控當前電機工作狀態和相關參數，響應迅速、轉速穩定等特點極大的提升和改善了新能源汽車的行駛穩定性及安全性，在新能源汽車研發和改進上起到至關重要的作用，永磁無刷直流電機調速控制系統在新能源汽車行業的廣泛推行將是大勢所趨，也是新能源汽車行業中調速控制系統發展的必然要求。

4 ?結語

永磁無刷直流電機和傳統的直流電機，交流電機進行對比可以發現，永磁無刷直流電機不僅僅兼具直流電機和交流電機的優勢與長處，又彌補和填充了傳統電機的不足與缺陷。隨著科技不斷進步，相關產業的不斷研究與發展，稀土永磁材料的研發，技術生產力的飛速提升以及相關學科前沿的重大突破與成果的出現，永磁無刷直流電機的應用范圍會更加廣闊，發展前景不可限量，帶來的經濟效益也是無法估量的。除了傳統的應用行業外，電動汽車的電機驅動這一新型發展領域，永磁無刷直流電機將憑借運行效率髙、調速范圍寬、功率密度大和輸出轉矩大等優勢占據一席之地。

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作者簡介：鄧安彤（1991-），女，滿族，河北承德人，碩士研究生，畢業于昆明理工大學，講師，研究方向為電機控制。