【正文】 1 緒論無刷直流電機[1]（Brushless DC Motor ,簡稱BLDCM）用電子換相取代了直流電機的機械換相，把永磁材料做成轉(zhuǎn)子，省去了電刷，因而它具有很強的生命力。無刷直流電機的驅(qū)動電路能比較容易的獲得方波，反饋裝置簡單，功率密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，控制結(jié)構(gòu)簡單，使得BLDCM的應(yīng)用比直流電機要廣泛得多。 課題研究目的與意義一個世紀(jì)以來，電機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。眾所周知，直流電機具有運行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，但是傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，以機械方法進行換向，因而存在機械摩擦，由此帶來噪聲、電火花、無線電千擾以及壽命短等致命弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍，致使目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，大多數(shù)采用三相異步電機。無刷直流電機既具備傳統(tǒng)直流電機運行效率高、調(diào)速性能好、無勵磁損耗的優(yōu)點，又具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等獨特的優(yōu)勢，特別是與傳統(tǒng)直流電機相比，無刷直流電機不采用電刷進行換相，因而不存在機械換相帶來的諸多缺點，故在許多高科技領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛。在軍事裝備領(lǐng)域，使用無刷直流電機能更好地滿足快響應(yīng)、高精度的要求。對常規(guī)武器如雷達的天線控制系統(tǒng)、高射武器的自動跟蹤系統(tǒng)等，這些隨動系統(tǒng)必須具備很高的角速度、角加速度和很高的跟蹤精度，快速跟蹤和準(zhǔn)確定位是兩個重要的技術(shù)指標(biāo)，其控制器的好壞直接影響著裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，因此，如何使隨動系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、可靠性高、響應(yīng)速度快、跟蹤精度高等特點成為研究隨動系統(tǒng)的關(guān)鍵。近十年來，用高新技術(shù)武裝的各種新型武器如戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、隱形飛機、武裝直升機等空中武器不斷涌現(xiàn)，其目標(biāo)識別能力、隱蔽程度、目標(biāo)命中精度均大大提高，這給武器隨動系統(tǒng)提出了新的要求。在民用領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、精密機械技術(shù)、自動控制技術(shù)以及人工智能技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，對電動機的要求從過去簡單的提供動力發(fā)展到精確控制，從而促進了電動機與電子產(chǎn)品緊密結(jié)合的機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展，如激光加工、機器人、數(shù)控機床、柔性制造系統(tǒng)等。在這些高科技領(lǐng)域中，無刷直流電機作為當(dāng)今效率最高的調(diào)速電機之一，得到了非常廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機的調(diào)速性能優(yōu)越、體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、不存在勵磁損耗問題，不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，而且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、易于控制。隨著無刷直流電機的應(yīng)用范圍日益擴大，其應(yīng)用己經(jīng)從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動化領(lǐng)域迅速發(fā)展。因此，直流無刷電機的應(yīng)用和研究受到了高度的重視，憑其技術(shù)優(yōu)勢在許多場合取代了其它種類的電動機，越來越多地應(yīng)用于國民經(jīng)濟生活的各個領(lǐng)域中，顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。因此，對無刷直流電動機本體及其控制且在控制過程中出現(xiàn)的問題進行系統(tǒng)、深入的研究有著非常重要的理論和現(xiàn)實意義無刷直流電機控制策略選擇的好壞直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能，對于控制系統(tǒng)來說有三個基本要求:穩(wěn)、準(zhǔn)、快。其中“穩(wěn)”是最根本的要求，“準(zhǔn)” 是穩(wěn)態(tài)要求(穩(wěn)態(tài)誤差要小)，“快”是動態(tài)要求(超調(diào)量要小，調(diào)節(jié)時間要短)。目前在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中，無刷直流電機的調(diào)速控制一般都采用傳統(tǒng)的PID控制，PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程中，但無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)是一個多變量、強禍合的非線性系統(tǒng)，隨著對無刷直流電機調(diào)速性能要求的提高，采用傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)很難得到令人滿意的結(jié)果。因此，研制高性能的無刷直流電機控制器成為一項普遍關(guān)注的課題。 國內(nèi)外研究概況綜述1955年，這就是現(xiàn)代直流無刷電機的雛形[2]。爾后又經(jīng)過人們多年的努力，借助霍爾元件來實現(xiàn)換向的直流無刷電機終于在1962年問世。80年代以來，微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合產(chǎn)生了高頻化全控型器件，從而使電力電子技術(shù)的發(fā)展進入了一個新的階段，新的電力電子器件使電路的控制性能大為改善，使以前難以實現(xiàn)的功能也得以實現(xiàn)。目前，電力電子裝置朝著集成化的方向發(fā)展，把驅(qū)動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，便構(gòu)成了功率集成電路，這些使得電機的驅(qū)動電路體積更小且設(shè)計簡化。電力電子工業(yè)的發(fā)展，使半導(dǎo)體大功率管的價格不斷下降而其性能卻不斷提高，這些都將使無刷直流電機的應(yīng)用更加普及[3]。隨著科技的發(fā)展，無刷直流電機的控制器經(jīng)歷了模擬控制系統(tǒng)、模擬數(shù)字混合控制電路、數(shù)字控制系統(tǒng)等階段。傳統(tǒng)的無刷直流電機控制器一般由模擬器件以硬接線的方式構(gòu)成。然而模擬元件的物理特性決定了它們具有一些本質(zhì)上的缺陷，例如元器件的老化和溫漂問題等，由于采用了硬接線，系統(tǒng)升級困難，使它很難滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計要求。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，最初的數(shù)字控制系統(tǒng)都是以單片機為主控芯片，單片機的種類很多，其中以51系列、96系列單片機最為普遍。在單片機控制系統(tǒng)發(fā)展的同時，一些廠家開發(fā)出了電機控制專用芯片，如用于無刷直流電機控制的UCC362摩托羅拉高性能微控制器中的智能化外圍模塊MC33039等。這類芯片價格便宜，執(zhí)行速度快，但是所能實現(xiàn)的控制功能簡單，難以滿足高性能控制場合的需要。從目前的發(fā)展趨勢來看，以雙閉環(huán)控制代表無刷直流電機控制器的發(fā)展方向。在過去20多年的時間里，直流無刷電機在國際上己得到較為充分的發(fā)展，控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟。由于無刷直流電機的應(yīng)用前景廣闊，各國都加快對無刷直流電機新產(chǎn)品開發(fā)的速度和占領(lǐng)市場的力度，尤其美國和日本具有較先進的無刷直流電機制造和控制技術(shù)。日本在民用方面比較突出，而美國則在軍用方面更加先進。在我國，無刷直流電機的發(fā)展時間較短，但隨著技術(shù)的日益成熟與完善也得到了迅猛的發(fā)展。我國直流無刷電機的研制工作始于二十世紀(jì)70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實踐相結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備距離國際水準(zhǔn)差距較大，所以目前我國無刷電機綜合水平仍低于國際水平，有待進一步的研究和開發(fā)。我國的無刷直流電機也已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動車等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈，在技術(shù)上不斷推進行業(yè)發(fā)展。但是，中國在無刷直流電機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中出現(xiàn)了不少問題，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品。技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家。生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱。產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、對自然資源破壞力大。企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。當(dāng)今，世界對無刷直流電機的研究熱點主要集中在以下三個方