1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 无刷直流电机在电动车上的应用 摘要 ： 电动车辆 由于节能环保 ， 应用越来越广泛，但 车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此 对 电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、电机可靠性 电机运行可靠性与稳定性都有很高的要求，通用有刷电机性能一般现在已被无刷直流电机慢慢取代，真是因为无刷电机的优异性能，使电动自行车用无刷直流电机具备更持久的生命力。文章主要介绍了无刷直流电机的基本特点和常用驱动技术。 关键词： 无刷；驱动；直流电机 1、 引言 当前， 随着保护环境、节约能源的呼声 日益高涨 ， 无污染、能源可多样化配置的新型交通工
2、具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一。由于电子控制技术的不断发展， 使得对大量应用的电动机性能、质量的要求越来越高，如：低噪声、高性能、长寿命、小型化、高效节能的要求。而无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，所以以无刷直流电机作为电动马达的电动自行车 产品逐渐受到消费者的青睐 8。鉴于无刷直流电机的上述优点以及无刷直流电机作为控制对象的电动自行车在消费市场的巨大潜力 1. 2、
3、无刷直流电机 电动车辆主要用于城市交通，车辆大部分时间处于启动、加速、制动的工作状态，因此电机的起动性能、加速性能、低速时的效率、制动时的能量再生能力、电机的过载能力、电机的能量密度、电机可靠性对电动车辆尤为重要，是衡量电动车辆电机的重要指标。目前电动车辆还没有专用电机可选，只能选用通用电机，如直流串激电机、直流并激电机、永磁直流电机、异步电机等。通用电机的负载特性为恒负载特性 ，而电动车辆特性为变负载特性，两者特性不匹配，影响了电机出力，进而影响了电动车辆性能。 2 另外，通用电机的最大效率点均设计在额定点附近，当负载偏离额定点时，电机效率急剧下降，影响了车辆的续驶2 里程。开关磁阻电机在低
4、速时具有较大的转矩，但效率偏低，永磁同步电机具有较高的效率，但低速时转矩无法提升。只有无刷直流电机具备了以上电机的所有优点，它具有串激直流电机的低速转矩提升功能、并激直流电机的调速性能、永磁同步电机的高效特性和接近异步电机的可靠性，非常适合电动车辆的需要。 3 现就各种电机技术指标汇总见表 1。 从表 1 看无刷直流电机是最为理想的电动车辆驱动电机，与其它电机相比其主要优点为： 电机外特性好，非常符合电动车辆的负载特性，尤其是电机具有可贵的低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆的加速要求。 速度范围宽，电机可以在任何转速下全功率运行，这是无刷直流电机的独有特性，这样可以省去汽车的机械变
5、速器，改变内燃车辆的传动模式，进一步提高整车效率。 4 电机效率高，尤其是在轻载车况下，电机仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的，该种电机可比永磁直流电动 表 1 各种电机性能指标 Table 1 The performance of different variety motors 性能指标 直流电机 永磁直流电机 鼠笼异步电机 永磁同步电机 无刷直流电机 起动性能 5 4 2 4 5 低速性能 5 4 3 4 5 低速时效率 3 4 3 5 5 平均效率 3 4 4 5 5 能量密度 2 3 4 5 5 过载能力 4 4 4 5 5 再生能力 3 4 3 5 5 可靠性 2 2
6、 5 4 4 制造成本 4 4 5 4 4 控制器成本 5 5 4 4 4 合计 36 38 37 45 47 机提高效率 10以上，比 Y 系列电动机提高效率 20以上。 过载能力强，这种电机比 Y系列电动机可提高过载能力 20以上，满足车辆的突起堵转需要。 再生制动效果好，因电机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电机可完全进入发电机状态，给电池充电。 电机体积小、重量轻、比功率大、可有效地减轻重量、节省空间。 电机无机械换向3 器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电机内部，可靠性高。 电机控制系统比异步电机简单。 2.1 无刷直流电机研究现状 电机分为直流电机、同步电机和异步电机，在
7、我国三种电机的生产分工 较为明确，无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，代表电机的发展方向。目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、北京航空航天大学、上海交通大学等，均在进行 1.5kw 以下样机的研究试验，清华大学正在做 15KW 电机的样机实验，中科院正在做 28 KW 电机的样机实验。在企业中生产高性能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在 0.2KW 以下、用于电动自行车电机的厂家。国际发达国家对无刷直流电机的研制与中国大体相当，但像美国、日本在无刷直流电机控制方面比中国先进 8。 2.2 无刷直流与有刷直流的比较 直流电
8、动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可 *性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点 ，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。 51955 年美国 D Harrison 等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在 1978 年的 MAC 经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20 多年以来
9、，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率 开关 器件的发展 ，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及 工业自动化 领域迅速发展。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢 ，励磁绕组由永磁材料所取代。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直流电动机（ BLDCM）和正弦波直流电动机
10、（ PMSM）， BLDCM 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；而 PMSM 则是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。在相同的条件下 ，驱动电路要获得方波比较容易，4 且控制简单，因而 BLDCM 的应用较 PMSM 要广泛的多。 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子 位置的检测一般用位置 传感器 来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管 ，进行有序换流，以驱动直流电动机。 无刷直流电动机在电
11、磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可 *性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分 不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴 ，铁氧体磁性材料，钕铁硼（ NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度 ，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输
12、出转矩。该类型 电机正处于研究开发阶段。 3 无刷直流电机驱动 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机 ，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力 ，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。 6 目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等 三种组成形式。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法；由于数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可 *
13、，使得直流无刷电动机的组成大为简化 ，性能大大改进，有利于电机的小型化和智能化，因而数字信号处理器是控制电路发展的方向。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率 开关 器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着 电力 电子 技术的飞速发展 ，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（ GTO）、电力场效应晶体管（ MOSFET）、金属栅双极性5 晶体管 IGBT 模块 、集成门极换流晶闸管（ I
14、GCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（ IEGT）。随着这些功率器件性能的不断提高， 相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态 ，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换 ，是无刷直流电动机正常运行的关 键。 用位置 传感器 来作为转子的位置检测装置是
15、最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。位置传感器的存在 ， 增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多 ，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可 *性。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比 ，省
16、去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但对于 *反电动势进行 位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势 ，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。 随着 电子 技术、控制技术的发展 ，位置检测可以通过芯片配合适当的算法来实现。高速微处理器和 DSP 器件以及专用的控制芯片的出现 ，使得运行速度、处理能力有很大的提 高。DSP 固有的计算能力可用来在无刷电机上实现无传感器控制。采用 DSP 实现无位置传感器控制成为研究的热点 ，低成本 DSP 无位置传感器无刷电动机 ，成为无刷直流电动机的发展方向。 4、 总结 以上是本人通过参考文献对 无
17、刷直流电机研究现状的分析 ，以及无刷直流驱动与有刷直流驱动的对比。以及在电动车领域的应用做了阐述分析。 参考文献 1 刘刚，王志强，房建成 . 永磁无刷直流电机控制技术与应用 M. 北京，机械工业 出版社， 2008. 6 2 李海涛，仪维，吴筱坚等 . PIC单片机应用开发典型模块 M. 北京，人民邮电出版社，2007. 3 三恒星科技 . PIC单片机易学通 M. 北京，人民邮电出版社， 2006. 4 杨耕，罗应立 . 电机与运行控制系统 M. 北京，清华大学出版社， 2006. 5 张俊 . 匠人手记 一个单片机工作者的实践与思考 M. 北京，北京航空航天大学出版社， 2008. 6
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