1 引言
無刷直流電動機是一種先進的電子驅動電機，既具備交流電動機結構簡單、運行可靠、維護 方便的一系列優(yōu)點，又具備直流電動機運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好的諸多特點 。盡管無刷直流電動機以其良好的性能而得到廣泛應用，但是在科研實踐并查閱大量有關文獻資料的基礎上，發(fā)現在無刷直流電動機的研究領域里還有不少問題很值得深入研究。經過認真的分析，總結出有待進一步研究的5個主要問題，以供無刷直流電動機的研究和設計人員參考。
2 基本工作原理［1～3］
與傳統(tǒng)直流永磁電動機的結構相反，無刷直流電動機把電樞繞組放在定子上，把永磁鋼放在 轉子上，借助反映轉子位置的位置信號，通過驅動電路，驅動逆變電路的功率開關元件，使 電樞繞組依一定順序饋電，從而在氣隙中產生步進式旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，轉子位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實現機電能量轉換。
3 有待深入研究的主要問題
3.1 脈動
無刷直流電動機中，應該進一步改進的首先是轉矩脈動。引起轉矩脈動的主要因素有：齒槽 效應引起氣隙合成磁場發(fā)生畸變，影響電磁轉矩；繞組電感的影響使得輸入定子繞組的相電 流不可能是理想的矩形波，使反電動勢與理想波形的偏差加大；相電流換向使得電樞磁場呈 現步進性，導致氣隙合成磁場波動，影響電磁轉矩的平穩(wěn)；電樞反應影響氣隙合成磁場，對 于功率較大的無刷直流電動機，電樞反應的影響更明顯。從上述引起轉矩脈動的主要因素可 以看出，轉矩脈動的根本原因在于氣隙合成磁場和定子繞組相電流的波動。因此要減小轉矩 脈動，就應該采取措施保證氣隙合成磁場和相電流的穩(wěn)定。無刷直流伺服電動機中存在的轉 矩脈動使得實現更精確的位置控制和更高性能的速度控制難度很大，尤其是在直接驅動應用 的場合，轉矩脈動更為突出。
3.2 最佳換向
最佳換向［4～5］是為了使無刷直流電動機的輸出轉矩最大，脈動最小，實現效率最 高的機電能量轉換。最佳換向包括最佳換向邏輯和最佳換向位置兩方面的含義，前者解決如 何換向，后者解決什么時候換向。在最佳換向邏輯的研究中，大多是采用一套固定的有關轉 子位置信號和功率開關管的真值表，而缺乏系統(tǒng)的概括性更強的理論研究。李優(yōu)新等關于永 磁方波無刷直流機最佳邏輯解析結構的研究在這方面已經邁出了重要的一步。盡管在理想狀 態(tài)下的最佳換向位置已經研究得較透徹，但是在電機實際工作過程中最佳換向位置的研究還 不夠，實際運行的電機不同于理想電機，在理想電機中所忽略掉的次要因素實際上都會不同 程度地影響最佳換向位置。因此，這就要求研究和設計人員在無刷直流電機實際工作過程中 的最佳換向投入更多的精力。
3.3 無位置傳感器的轉子位置檢測
較為成熟的無位置傳感器位置信號檢測方法主要有4類［6］：反電動勢法、續(xù)流二極管法、電感法和狀態(tài)觀測法。其中“反電動勢法”是最常見和應用最為廣泛的一種。但這種 方法的基本原理是建立在忽略電樞反應影響的前提下的，這在原理上就存在一定誤差。尤其 是對于大功率無刷直流電動機，電樞反應對氣隙合成磁場的影響更明顯，使得反電動勢 過零點與總的感生電動勢過零點不重合，誤差更大，導致檢測出的轉子位置誤差增大。當電 機靜止或轉速較低時，反電動勢為零或很小，很難通過反電動勢過零點檢測來得到正確的位 置信號，使電機起動困難，且嚴重影響了電機的調速范圍。因此，研究如何在大功率無刷直 流電動機中補償反電動勢法造成的轉子位置信號誤差，研究如何克服反電動勢法中電機起動 困難，以及擴大電機調整范圍就成為十分重要的課題。而這些問題歸根結底是要研究在無位 置傳感器無刷直流電動機中如何更精確地檢測轉子位置信號。近年，隨著單片機技術的發(fā)展 ，特別是數字信號處理器的應用和推廣，使得位置檢測可以通過IC芯片配合適當算法的軟件 而實現。采用DSP以實現無位置傳感器的位置已成為研究熱點和趨勢。
3.4 控制算法
采用數字信號處理器的數字控制電路［7～8］將是無刷直流電動機中控制系統(tǒng)設計的 發(fā)展方向。以DSP芯片為核心的控制系統(tǒng)并不是一個純硬件的控制電路，它還必須配合軟件系統(tǒng)才能控制無刷直流電動機正常工作。這也為控制系統(tǒng)的設計帶來更大的靈活性。軟件設計就必然涉及到控制算法的研究和應用。無刷直流電動機中速度、電流控制必須由硬件系統(tǒng)配合具有正確控制算法的軟件系統(tǒng)才能得到良好的閉環(huán)控制效果。而不同的控制算法將會直接影響控制效果的好壞。因此，研究先進的控制算法就成為設計無刷直流電動機控制系統(tǒng)的一個重要方面。而過去難以在運算較慢的微處理器上實現的復雜的控制算法，現在則可以借助DSP實時高速的運算處理能力得以實現。所以，研究已經較成熟的復雜控制算法在DSP上的應用也是一個重要的方面。
3.5 抗干擾
電磁兼容在應用電子線路中已日益受到人們的重視。無刷直流電動機是一種電子電機，同樣 有抗干擾和防止對外界干擾的要求。無刷直流電動機控制器是強、弱電共存的電路，對于采 用PWM高頻調制脈沖的控制器，高的調制頻率很容易對控制器其他線路產生干擾，必須認真 處理其間的電磁干擾和電磁兼容問題。另外還存在地線的干擾。盡管抗干擾對于無刷直流電 動機的設計是相當重要的，但卻易被研究和設計人員所忽視，所以對無刷直流電動機的抗干 擾進行研究很有必要。
4 結語
除了上述的5個主要問題外，在無刷直流電動機研究中諸如起動、調整、繞組換相對電流變 化產生的電抗電勢干擾等也值得作進一步研究。這些問題都是相互聯(lián)系和相互影響的，其中 任何一個問題的妥善解決，對改善和提高無刷直流電機的性能，都是積極和有益的。
