永磁无刷直流电机调速控制系统的设计研究

摘要：随着我国对新能源产业的加大投入，对耗能企业节能减排的号召，永磁无刷直流电机凭借其快速、可控、可靠、质轻体积小、节能、效率高、经济实用等优势成为能源产业最为关键的一环，永磁无刷直流电机得到了广泛应用，并且发展前景良好，发展空间大。基于上述原因增加对永磁无刷直流电机控制系统的研发力度和投入势在必行，并且这一研究成果的出现将带来不可估量的应用价值和经济效益。本文通过从永磁无刷直流电机的研究背景、研究意义、结构组成、工作原理、硬件电路设计、软件设计等不同的技术层面进行分析，对永磁无刷直流电机控制系统的研发进行了深入探究。

关键词：永磁无刷直流电机;控制系统;软硬件设计

0  引言

随着人类工业社会的迅速发展，能源危机是21世纪各个国家所面临的重大危机，也是要实现可持续发展所必须解决的难题。永磁无刷直流电机的发展历史可以追溯到上世纪四十年代，直到八十年代初期，在钕铁硼稀土这一永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生产力迅速提升，制造投入减小的影响，永磁无刷直流电机行业迎来了蓬勃发展。

近三十年来，随着科学研究的深入，永磁体性能得到了跃进式的提升，相应的电力电子器件的完善和蓬勃发展也促进了这一行业的迅猛发展。永磁无刷直流电机控制系统研究方向与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科密切相关，相辅相成。科学家们通过对其研究背景、研究意义、结构组成、工作原理、数学模型、硬件电路设计、软件设计等方面的深入研究，使得永磁无刷直流电机在拥有良好调速性能的情况下，机械换向和电刷等历史研究中出现的难点获得了解决，目前永磁无刷直流电机的用途遍布各行各业，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影，发展前景不可估量。

1  研究背景与意义

从上世纪四十年代至今，永磁无刷直流电机的发展在实际应用上与永磁材料的突破性研究，生产力迅速提升，制造投入减小，电力电子器件的迅猛发展息息相关，在理论研究上与现代电力电子技术、现代控制理论、电机集成技术和微机技术等学科的深入研究息息相关。由于其所具有的大功率、大转矩、高速度、高性能、微型化和数字化等特点决定了该行业宽广的发展前景，也吸引了不少科研工作者的目光。目前永磁无刷直流电机在各行各业都得到广泛的应用，小到家用电器，大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影。

基于上述原因，对永磁无刷直流电机的控制系统进行合理的、科学的、系统的研究探索是非常重要且必要的，这是现代工业发展和机电一体化所提出来的必须进行的挑战，这一研究具有深远的理论意义和实际应用价值，并且会给整个社会和相关行业带来巨大的经济效益。

2  永磁无刷直流电机工作原理

无刷直流电机在市场上流通最为广泛，应用最为全面的类型主要是以下两种：方波电流驱动的电机，也就是无刷直流电机;正弦波电流驱动的电机，也就是永磁同步电机。本文主要进行探索的是以方波驱动的电机，也就是无刷直流电机。

2.1 永磁无刷直流电机结构

研究永磁无刷直流电机调速控制系统的第一步是要了解永磁无刷直流电机的结构，它的器件构成主要包含电机本体、位置传感器和电子开关线路。永磁无刷直流电机主要是放定子绕组的定子和嵌入永磁磁体的转子两大部分构成。

2.1.1 转子结构

永磁无刷直流电动机按照永磁体在转子上的安放方式进行分类分为埋入式永磁体、表面贴装式永磁体、内置式永磁体三种。表面贴装式永磁体结构最为常用，内置式永磁体结构适用于电机的弱磁控制，但是漏磁现象比较严重。

2.1.2 定子结构

定子结构的主要功能是形成良好的磁路，便于多相绕组的安放。定子结构包括定子铁芯和定子绕组两部分，可以分为以下三大类：分數槽结构、无齿槽结构和整数槽结构。分数槽结构的定子拥有绕组端部体积小，绕组利用灵高，但是永磁体的利用率相对较低。无齿槽结构的定子无法有效释放绕组内部热量，导致温度高，结构的设计上导致需要使用更厚的永磁体，成本投入

过高。

2.2 永磁无刷直流电机工作原理

研究有刷直流电机的工作原理是探索永磁式永磁无刷直流电机的工作原理的基础，首先需要了解有刷直流电机的定子永磁体作用是形成磁场，产生的磁场用以驱动转子绕组旋转。当转子绕组在旋转期间，换向器进行换向，这样才可以保持绕组在磁场中受到方向的一致的力。而永磁式无刷直流电机的工作原理则是在有刷直流电机工作原理的基础上，进行深入发掘和优化，转子绕组被永磁体替换，当由永磁体组成的转子绕组在旋转期间，便可以形成旋转磁场。而电子换向器作用于定子绕组，使磁场跟随转子旋转，进一步令转子受到大小和方向一致的力。

3  控制系统的软硬件设计

在选择控制策略时要考虑到电机本体和负载的惯性导致的系统延迟问题，转子电枢反应问题，磁路饱和现象，无刷直流电机的强非线性问题以及受到多变量影响的的强干扰问题等。在控制策略中被控量有速度和转矩。目前行业内受到认可，应用广泛并且控制效果良好的控制理论有以下理论：经典控制理论、模糊控制、神经网络控制、滑模变结构控制等。

3.1 硬件系统的电路设计

硬件系统的电路设计要求首先应该实现所有电气信号的采集和转换，将模拟信号变成数字信号，其次要有过压保护和过流保护，最后应该考虑电机系统的散热问题，以及系统的稳定和可靠性，提高系统抗电磁干扰能力。为应对这一系列要求所提出的挑战，永磁无刷直流电机调速控制系统的软硬件在结构设计上通常如下：

永磁无刷直流电机调速控制系统的硬件系统包括主电路和控制电路两大部分。硬件系统主电路设计又分为主电路拓扑结构设计和驱动模块设计。永磁无刷直流电机调速控制系统的硬件系统的控制电路包括有主控芯片及其外围电路、驱动隔离电路、霍尔位置和无传感器检测电路、电压电流采样电路、电源电路。

3.2 软件设计

控制系统的正常运行离不开硬件系统和软件系统的紧密配合，二者相辅相成。硬件电路是整个控制系统的基础部分，相当于控制系统的身体，而软件系统用于控制硬件系统工作，相当于控制系统的大脑，二者缺一不可。软件系统的主程序包括以下几个模块：各系统的初始化，判断各系统当前状态（对状态的标志位置进行扫描识别和判断），通讯功能模块和中断循环模块。

3.3 在新能源汽车中的应用

新能源汽车的快速发展将是目前缓解资源紧张和环境污染问题的最为有效的办法。与普通燃油汽车相比较，新能源汽车能够极大的减少化石燃料的消耗，进一步降低目前人类所面临的能源压力，缓解电力系统的负荷。永磁无刷直流电机凭借其优转矩良、转速特性良好的特点，可以更好的满足新能源汽车对电机驱动系统需要的高性能控制指标这一要求。

新能源汽车的核心部件便是驱动电机及其控制器，因为只有拥有优良的控制策略才会有优良的控制性和舒适度。永磁无刷直流电机凭借其独特的结构组成，优良的转速控制特性成为新能源汽车电机控制系统的首选。现阶段新能源汽车按照驱动方式不同可以分为三大类，分别是纯电驱动、混合动力驱动、燃料电池驱动。在新能源汽车的研發和制造过程中，动力系统是新能源汽车整车开发的关键内容，动力系统由电机、电池、电控三大系统构成，而电机系统在其中是至关重要的一个环节。也就意味着由驱动电机及其控制器组成的电机驱动系统的性能是否优异这将直接决定新能源汽车的性能。

首先，永磁无刷直流电机从能量损耗上看，它采用永磁体转子，没有励磁损耗;从机械结构上看，它也没有换向器和电刷等机械换向结构，不易发生故障;它具有能量密度大，运行效率高、可靠性好、输出扭矩大等优点，是传统电机无法实现的，因此永磁无刷直流电机受到国内外新能源汽车领域的广泛关注。其次，永磁无刷直流电机的控制技术和实现方式这是直接影响新能源汽车整体性能的关键因素，因此，永磁无刷直流电机控制器设计研究有着极为重要的研究价值、经济效益和现实意义。

目前，在新能源汽车行业内，基于数字信号处理器和可编程逻辑门器件的无刷直流控制器使用场合有限，因为它目前存在的成本昂贵、电路设计的结构复杂、功能扩展性差等问题无法得到解决和改善。而使用控制芯片作为永磁无刷直流电机控制器的核心，与硬件电路设计和软件算法配合使用的方式，凭借其低的功率消耗、实时反馈性能良好、处理速度快、接口多、功能丰富多样化的优势，得到了广泛的应用，用来实现新能源汽车性能的提升。实时通信、实时监控当前电机工作状态和相关参数，响应迅速、转速稳定等特点极大的提升和改善了新能源汽车的行驶稳定性及安全性，在新能源汽车研发和改进上起到至关重要的作用，永磁无刷直流电机调速控制系统在新能源汽车行业的广泛推行将是大势所趋，也是新能源汽车行业中调速控制系统发展的必然要求。

4  结语

永磁无刷直流电机和传统的直流电机，交流电机进行对比可以发现，永磁无刷直流电机不仅仅兼具直流电机和交流电机的优势与长处，又弥补和填充了传统电机的不足与缺陷。随着科技不断进步，相关产业的不断研究与发展，稀土永磁材料的研发，技术生产力的飞速提升以及相关学科前沿的重大突破与成果的出现，永磁无刷直流电机的应用范围会更加广阔，发展前景不可限量，带来的经济效益也是无法估量的。除了传统的应用行业外，电动汽车的电机驱动这一新型发展领域，永磁无刷直流电机将凭借运行效率髙、调速范围宽、功率密度大和输出转矩大等优势占据一席之地。

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作者简介：邓安彤（1991-），女，满族，河北承德人，硕士研究生，毕业于昆明理工大学，讲师，研究方向为电机控制。