【正文】 是電機中的佼佼者，但它在目前看來依舊面臨著許多障 礙，如大量零部件帶來的成本、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、振動而降低了可靠性的問題，還有操作上的限制，如溫度升高等。武漢工程大學畢業(yè)設計 (外文文獻翻譯） 2 永磁無刷直流電機本身無疑有著相當大的使命；本文集中討論從電機結(jié)構、閉環(huán)控制器、半導體功率模塊、傳感器和無傳感器、轉(zhuǎn)矩脈動最小化、微電子影響、降低成本和潛在的應用這些方面來講，永磁無刷直流電機的最新進展。高成本的永磁材料是電機使用和發(fā)展的主要瓶頸。永磁電機的范圍很廣，本文僅限永磁無刷直流電機。鋁鎳鈷和鐵氧體早已在永磁電機中使用，因為它們便宜且容易獲得。釹鐵硼被認為是目前最好的永磁材料之一，因為它提供了更高的剩余磁通密度和抗磁力，然而，它唯一的缺點是其溫度界限，目前正在不斷努力克服這一點，這也將使得永磁無刷直流電機擁有更高的效率和更小的規(guī)模等優(yōu)點。 相數(shù) 永磁無刷直流電機的管軸流風機設計為低功率單相（ 50W），用于冷卻電子設備。大部分的中，高功率的電機被設計成類似于傳統(tǒng)的交流電機三相結(jié)構。 徑向和軸向場電機 市面上大多數(shù)電機都是徑向場類型（圓柱形或凸極構造）。軸向場電機設計為包裹，磁盤和三明治型結(jié)構，并且轉(zhuǎn)子中沒有鐵，這使得慣性降低。由于它們的性能，它們被認為最適用于機器人技術，計算機設備和機床等。因為定子設計類似于常規(guī)交流同步或異步電動機，它們被廣泛使用。 轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁鐵的形狀和位置 在永磁無刷直流電機中永磁鐵放置于轉(zhuǎn)子內(nèi)。在徑向場電機中，永磁體的放置方式不同，例如在低速電機中表面貼裝，而在高速永磁無刷電機中放置在內(nèi)部徑向方向或切向方向，圖 2 顯示出了這種轉(zhuǎn)子的幾何形狀。 正弦和矩形反饋電機 永磁無刷直流電機設計成有正弦或梯形波（激發(fā)）引起反電動勢。運行速度限制為會由電樞反應和機械結(jié)構引起的退磁的最大速度。梯形激發(fā)電機需要具有 120 度電寬度和可調(diào)節(jié)大小和方向的多相位均衡矩形電流。因為這些矩形電流，他們也被稱為開關永磁電機、無刷直流電機和電子換向永磁無刷直流電動機。位置傳感器是根據(jù)在電機繞組中的自同步控制模式來實現(xiàn)這些理想的電流波形的要求而變化。圖 4 示出了一個典型的位置閉環(huán)控制內(nèi)的速度和電流回路。轉(zhuǎn)矩控制與高性能運動控制結(jié)合，其通過同步相電流和軸的位置反饋進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。在特殊情況下，轉(zhuǎn)矩和電流指令之間為非線性映射。永磁無刷直流電機相繞組的電流調(diào)節(jié)無論是正弦波還是矩形波方式都是利用電流控制電壓源逆變 器 （ VSI） 實現(xiàn)的。速度控制一般是使用速度反饋和速度指令實現(xiàn)的，速度指令是通過速度控制器給轉(zhuǎn)矩控制器輸出的指令信號。位置和速度閉環(huán)控制器都是使用不同寬度的閉環(huán)控制器，比如 PI（比例 積分）、 PID（比例 積分 微分）、 SMC（滑膜控制器）、自適應控制器、模糊控制器和神經(jīng)控制器。許多制造商已經(jīng)開發(fā) ASIC 用于永磁無刷直流電動機的典型應用。在小功率的變頻器中，基于場效應晶體管的虛擬交換接口用來實現(xiàn)理想的電流控制和合理的高開關頻率。由于 GTO 型逆變器的自整流功能和電流控制的改進，它被用于高功率的永磁無刷直流電機中。經(jīng)典的 PI/ PID 和前饋閉環(huán)控制器用于前端轉(zhuǎn)換器的控制，它提高了交流電源的電能質(zhì)量，在電源流動的各個方向上降低了諧波和單位功率因數(shù)。功率 MOS集成電路用于控制小功率的永磁無刷直流電機，該電機為了控制和功率放大使用集成微電子去激勵電機。在一些典型的應用 （住宅商業(yè)鼓風機）中，它們安裝非常緊湊以致全部安裝在電機外殼內(nèi)。此外，有時端電壓傳感器也須估計任一位置或速度，電壓傳感器還需要在制動或前端轉(zhuǎn)換器的控制下來調(diào)節(jié)直流母線電壓。這些傳感器的基礎性作用已經(jīng)在第三章永磁無刷直流電機驅(qū)動器的閉環(huán)控制中作了討論。 位置傳感器 在永磁 無刷直流電機中，轉(zhuǎn)子磁通位置是由旋轉(zhuǎn)機械角度定義的，這是轉(zhuǎn)子位置傳感器以某種形式實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子位置使用位置傳感器直接感知或間接地使用各種測量參數(shù)估計。 轉(zhuǎn)子位置的感應采用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應模塊絕對系統(tǒng)（ IMAS）、霍爾效應傳感器、磁敏電阻、電子和光學編碼器、同步器和角度傳感器。該編碼器的特點是每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（ PPR），現(xiàn)在他們應用于幾千 PPR。 間接位置檢測是通過運用其他測量參數(shù)，如電流和電壓來估計轉(zhuǎn)子位置實現(xiàn)的。 速度 /轉(zhuǎn)速傳感器 在永磁直流電機驅(qū)動中，速度和速度信號基本上需要位置控制驅(qū)動器的速度控制回路和速度控制驅(qū)動器的速度反饋。 一般的直流測速發(fā)電機和無刷測 速發(fā)電機用于檢測電機的速度，它們提供了一個模擬直流電壓信號，該信號正比于軸速度。如今通過使用高分辨率位置傳感器或估量轉(zhuǎn)子磁通位置能夠更準確地估計出轉(zhuǎn)子的速度 /轉(zhuǎn)速。 電流傳感器 高性能永磁無刷直流電機驅(qū)動的快速轉(zhuǎn)矩控制是通過與轉(zhuǎn)子磁通位置信息同步的相繞組電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，繞組電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)是通過 CCVSI 的 PWM 或超過參考所需的感應電流或電流控制器的滯后電流控制器實現(xiàn)的。 電流檢測一般使用霍爾效應電流傳感器，它檢測電流的大小和方向，并整合以提供靈敏和精確的電流檢測。這些霍爾效應電流傳感器有幾千伏的電氣隔離，這是在高水平的驅(qū)動器中非常理想的要求。這些電流調(diào)節(jié)矩形永磁無刷直流電機的電流檢測要求通常減少到在逆變器的直流鏈路的單個電流 傳感器。在調(diào)制解調(diào)器的電源設備中，例如 MOSFET / IGBT 的電流檢測功能是許多制造商在逆變器 /轉(zhuǎn)換器供給永磁無刷直流電機的控制中省去了使用額外的電流傳感器。電壓傳感器還需要在制動過程中調(diào)節(jié)直流母線電壓，或在高規(guī)格的變頻器中用于再生功能的前端轉(zhuǎn)換器控制。在小規(guī)格的變頻器中，電壓檢測采用高阻值電阻分壓器來降低驅(qū)動器的成本。然而，前端變換器的控制中交流電源電壓用電壓互感器感測。然而，這些傳感器在無刷直流電機驅(qū)動中可以從尺寸、成本、維護和可靠性的角度降低。由于這些問題，在去除機械轉(zhuǎn)子位置 /速度傳感器而代以利用感應電流和電壓估算轉(zhuǎn)子位置和速度的技術上有很大的興趣和發(fā)展。這些傳感器的消除和減少的各種技術將在下面的部分作簡要討論。在許多應用中，無軸裝式位置傳感器是非常理想的特性，因 為該傳感器是在驅(qū)動器中最昂貴和脆弱的部件之一。 反電動勢位置估計法 轉(zhuǎn)子磁通位置檢測最常用的方法是根據(jù)推導的反電動勢信號。 直接反電動勢檢測： 這個方法對矩形饋永磁無刷直流電機很適用。直接按順序檢測未被激勵相的反電動勢，用來產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁通同步的離散的轉(zhuǎn)子位置信號電流。 反電動勢的估算： 此方法同時適用于正弦饋和矩形饋永磁無刷直流電機。反電動勢的重建既涉及模擬公式與運算放大器，也涉及運用通常用于控制的在線數(shù)字處理器來解這個方程。 武漢工程大學畢業(yè)設計 (外文文獻翻譯） 8 b a 圖 1. 兩種永磁無刷直流 電機橫截面 (a) 軸向電機 (b) 徑向電機 武漢工程大學畢業(yè)設計 (外文文獻翻譯） 9 圖 2 永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)子幾何形狀 (a) 表面安裝 (b) 內(nèi)部徑向取向 (c) 內(nèi)部磁體切向 圖 3 (a) 正弦電機和 (b) 梯形波電機的理想電流激勵波形 武漢工程大學畢業(yè)設計 (外文文獻翻譯） 10 圖 4 永磁無刷直流電機速度和電流回路的閉環(huán)控制模塊圖 本文摘自 Sadhana, Vol. 22, Part 6, December 1997, pp. 837845. 10 英文原著 Recent advances in permanent mag brushless DC motors BHIM SINGH Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology, Hauz Khas, New Delhi 110016, India bsingh Abstract. This paper deals with the latest developments in Permanent Mag Brushless DC (PMBLDC) motor drives. A prehensive account of the state of the art on types of construction of the motor, closed loop controllers in position, speed and current/torque control and recent trends in inverters, sensors etc. are given. Techniques for mechanical sensors elimination are discussed in detail. Special efforts made to reduce torque ripples, noise and vibrations are described. The impact of microelectronics through integrated chips used in the control of PMBLDC motor drives is given. The increasing applications of this drive due to improved performance and its cost reduction are also enlisted. Keywords. PMBLDC motor。 controllers。 torque pulsations. 1. Introduction 武漢工程大學畢業(yè)設計 (外文文獻翻譯） 11 Permanent Mag Brushless DC (PMBLDC) motors are increasingly being used in a wide spectrum of applications such as domestic equipments, automobiles, information technology equipment, industries, public life appliances, transportation, aerospace, defence equipment, power tools, toys, vision and sound equipment and medical and health care equipment ranging from microwatts to megawatts . It has bee possible because of their superior performance in terms of high efficiency, fast response, light weight, precise and accurate control, high reliability, maintenance free operation, brushless construction, high power density and reduced size. Recent developments in PMBLDC motor technology in terms of availability of high performance rare earth PM materials, varying motor constructions such as axial field, radial field, package type, rectangular fed, sine fed motors, improved sensor technology, fast semiconductor modules, low cost high performance microelectronics devices, new control philosophy such as robust, adaptive, fuzzy, neural AI based controllers, have been a boon to their widespread use in the large speed ranges from few revolutions to several thousand revolutions per minute (rpm). They have been proven most suitable for position control in machine tools, robotics and high precision servos, speed control and torque control in various industry and process control applications. Inspite of being one of the best, the PMBLDC motor has faced many hurdles to e t