直流电机无刷驱动器.docx

一绪论

1.1研究背景、现状及意义

自1835年世界上第一台应用电动机问世以来，电动机作为机电能转换装置，其应用范围已遍及国民经济生活的各个领域。电动机主要有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大到上万千瓦。由于直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的起动转矩、简单的控制电路等优点，一直被广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中，但由于直流电动机采用电刷和换相器换相，存在机械摩擦，从而产生电火花、噪音、电磁干扰等问题;另外，由于机械换相器的存在，使传统直流电动机的制造相对复杂，成本较高，维护困难。这些问题的存在，限制了直流电动机的进一步应用。长期以来，人们一直在寻找一种不用电刷和换相器的直流电动机。

20世纪30年代，已经有学者开始研究以电子换相取代机械换相的无刷直流电动机，但由于当时大功率电子器件处于初级发展阶段，使这种电动机只能停留在实验室研究阶段，无法推广应用。1955年美国D.哈里森等人首次申请了用品体管换相电路代替机械电刷的专利，宣告现代无刷直流电动机的诞生。1962年，借助于霍尔元件之利，实现了换相的无刷直流电动机。1978年，原西德曼内斯曼公司在汉诺威贸易博览会上推出了MAC方波无刷直流电动机(BrushlessDCMotor，简称BLDCM)及其驱动器，标志着利用电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段。无刷直流电动机利用电子换相器取代了机械电刷和机械换相器，使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，所以无刷直流电动机一经问世就以极快的速度发展和普及。1986年，H.R.博尔顿对方波无刷直流电动机进行了全面系统的总结，成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟。

按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波永磁无刷直流电动机(BLDCM)和正弦波型永磁无刷直流电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM)。正弦波型永磁无刷直流电动机用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。PMSM的反电势波形和供电电流波形均为正弦波，其控制需要较为精密的转子位置信号，故位置传感器结构较为复杂，成本较高，但其控制方法灵活，转矩波动较小，一般用于伺服控制系统。

而方波永磁无刷直流电动机(通常，方波型永磁无刷直流电动机可称为无刷直流电动机)则是用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷。BLDCM的反电势为梯形波，供电电流为方波，控制系统对转子位置信号的要求不高，只需获得若十个离散的转子关键位置信号。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单。因此，BLDCM的应用较PMSM要广泛得多。

由于无刷直流电动机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好的特点，且生产成本相对较低。因此，从工业领域到家电、信息产品等消费品领域，无刷直流电动机正得到越来越广泛的应用，并具有十分巨大的发展潜力。而我国对无刷直流电机的研究起步较晚，加上制造工艺和加工设备方面相对较落后，故目前我国无刷直流电机的整体水平低于国际水平，尤其在数字化控制方面，远不如国际水平。并且，无刷直流电动机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能积的永磁材料的出现而发展起来的，相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，对其设计、控制方法等方面的研究仍处于不断地探索之中。所以，对无刷直流电动机本体设计及其控制方法进行系统、深入地研究有着十分重要的理论和现实意义。

1.2无刷直流电动机的发展趋势

首先，电力电子器件的发展是影响直流无刷电机发展的一个重要因素，随着电力电子器件向着大电流、高电压的方向发展以及正弦波PWM电流驱动技术、新的控制方式和控制策略的发展，决定了电机也向着大功率、高性能的方向发展；其次，永磁电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，随着电力电子技术、高性能材料的发展、高性能微处理的出现以及控制技术的发展，为直流无刷电动机不断发展、改进提供了必要条件。

直流无刷电动机是一种机电一体化产品，除了电动机本体外，还必须带有位置传感器，以检测定、转子之间相对位置。而且，离开了驱动控制电路直流无刷电动机不可能运行。所以直流无刷电机的性能的提高也正朝着以下几个方向发展：

智能直流无刷电动机(SmartBLDCMotor)的研制

所谓智能电动机就是将电动机、编码器(传感器)、功率放大器、电源、可编程控制器、网络管理器等功能块组合在一起，形