永磁有刷直流电动机电磁振动与噪声的分析

永磁无刷电动机可以看做是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机，如图1 所示，永磁 直流无刷电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。无论是结构或控制方式，永磁直流无刷电动机与传统的直流电动机都有很多相似之处:用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极;用具有多相绕组的定子取代电枢;用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。

电动机本体和永磁同步电动机(PMSM)相似，转子采用永磁磁铁，目前多使用稀土永磁材料，但没有笼式绕组和其他启动装置。其定子绕组采用交流绕组行驶，一般支撑多相(三相、四相或五相)，转子由永磁钢按一定极对数(2P=2,4,6…)组成。设计中要求在定子绕组中获得顶宽为120°的梯形波，因此绕组行驶往往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其他谐波。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换位近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机是依靠电子换向器将方波电流按一定的相序逐次输入到定子的各相电枢绕组中。当无刷直流电动机定子绕组的某相通电时，该相电流产生的磁场与转子永久磁铁所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转。位置传感器将转子磁铁位置变换成电信号去控制电子开关线路，从而使定子的各项绕组按一定的次序导通，使定子的相电流随转子位置的变化而按正确的次序换相。这样才能让电子磁场随转子的旋转不断地变化、产生于转子转速同步的旋转磁场，并使定子磁场与转子的磁场始终保持90°左右的空间角，用最大转矩推动转子旋转。由于电子开关线路的导通次序与转子转角同步，起到机械换向器的换向作用，保证了电动机在运行过程中定子与转子的磁场始终保持基本垂直，以提高运行效率。所以无刷直流电动机就其基本结构而言，可以人为是一台由电子开关换相电流、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的"自同步电动机系统"，它在运行过程中不会失步。永磁无刷电动机BLDCM 的转子结构既有传统的内转子结构，又有今年来出现的额盘式结构、外转子结构和线性结构等新型结构形式，伴随着新型永磁材料的实用化，电动机转子的结构越来越多样化，使电动汽车电机永磁无刷电动机BLDCM 正朝着高出力、高精度、微型化合耐环境等多种用途发展。

转子位置传感器有光电式、磁敏式和电磁式三种类型。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇发出脉冲信号。

磁敏式位置传感器是指它的某些点阐述随周围磁场按一定规律变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。磁敏元件的主要工作原理是电流的磁效应，主要是霍尔效应。采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件(如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻器或专用集成电路)装载定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。

采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装电磁传感器部件，当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器长生高频调制信号(其幅值随转子位置的变化而变化)。

几年来还出现了无位置传感器的无刷直流电动机，磁中电动机利用定子绕组的反电动势作为转子磁铁的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，送给逻辑开关电路去控制无刷直流电动机的换向。由于它省去了位置传感器，使无刷电动机的结构更加紧凑，所以应用日趋广泛。

电子换向电路由功率变换电路和控制电路两大部分组成，它与位置传感器相配合，控制电动机定子各相绕组的通电顺序和时间，起到与机械换向类似的作用。

当系统运行时，功率变换器接受控制电路的控制信息，使系统工作电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。逆变器将直流电流转换成交流电流向电动机供电，与一般逆变器不同，它输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个"自控式逆变器"。永磁无刷电动机BLDCM 由于采用自控式逆变器，电动机输入电流的频率和电动机转速始终保持同步，电动机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是永磁无刷电动机BLDCM 的显著优点之一。

电动汽车电机电动机各项绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号，但位置所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件，往往需要经过控制电路进行逻辑处理、隔离放大后才能驱动功率变换器的开关元件，往往需要经过控制电路进行逻辑处理、隔离方法后才能驱动功率变换器的开关元件。驱动空盒子电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，去触发功率开关管。

永磁无刷直流电动机的工作原理

永磁无刷直流电动机的控制系统主要有永磁无刷直流电动机、直流电压、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成，采用"三相六拍-120°方波型"驱动。如图所示5.21所示。

永磁无刷直流电动机通过逆变器功率管按一定的规律导通、关断，使电动机定子电枢产生按60°电角度不断前进的磁势，带动电动机转子旋转来实现的。分析如图5.21所示。图a是理想条件下的电枢各相反电势和电流，每个功率管导通120°电角度，互差60°电角度，当功率管V3和V4导通时，电动机的V和-U(电流流进绕组方向为正向)相通(参考图1)。定子电枢合成磁势为图b所示的Fa5;若功率管V3关断，功率管V5导通，此时电动机的W相和-U相通电，电枢合成磁势变为Fa5，Fa5 比Fa4顺时针前进了60°电角度。由此可知，定子电枢产生的磁势将随着功率管有规律地不断导通和关断，并按60°电角度不断地顺时针转动。逆变器功率管共有六种出发组合状态，每种出发组合状态只有与确定的转子位置或发电动机波形相对应，才能产生最大的平均电磁转矩。当两个磁势向量的夹角为90°是，相互作用力最大。而电子电枢产生的磁势是以60°电角度在前进，因此在每种出发模式下，转子磁势与定子磁势的夹角在 60°~120°范围变化才能产生最大的平均电磁转矩。如图c所示，假如在t1时刻，转子的此时Fj处于线圈U、X平面内，且使转子顺时针旋转，此时应该导通功率管V5和V4，使定子的合成磁势为Fa5与Fj的夹角成120°。转子在Fa5与Fj相互作用产生电磁转矩的作用下顺时针旋转，到t3时刻Fa5与Fj的夹角成60°，此时关断功率管V4，导通功率管V6，定子合成磁势为Fa6，与Fj的夹角成120°，两者产生的电磁转矩使转子进一步旋转。

永磁无刷电动机控制理论的发展

交流电动机最初的运行方式是不受控运行。其控制功能仅限于接通和关断以及某些情况下的辅助起动、制动和反转。为了满足一些调速传动的需要，产生了一些性能较差的控制:如鼠笼异步电动机降压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速和电磁转差离合器调速、绕线式异步电动机串极调速、鼠笼异步电动机变压变频调速(VVVF)、变极调速和同步电机变压变频调速。在以上调速方法中，除变压变频调速外，一般为开环控制，不需变频器，设备简单，但效率低，性能差。鼠笼异步电动机基于恒压频比控制而构成的转差频率闭环控制，性能相对较好，但由于它们都是基于稳态模型，动态性能较差，一般只用于水泵、风机等动态性能要求较低的节能调速和一般调速场合。

1971年由德国学者Blaschke提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制。永磁同步电机的控制性能由此发生了质的飞跃。矢量控制最本质的特征是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性变量变换为相对坐标系为静止的直流变量(如电流，磁链，电压等)，从中找到约束条件，获得某一目标的最佳控制策略。

1985年，Depenbrock教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的条件下强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量坐标变换等复杂的计算。其磁场定向应用的是定子磁链，只需知道定子电阻就可以把它观测出来，相对矢量控制更不易受电机参数变化的影响。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制中，其控制规律和关键技术正逐渐被人们了解、掌握。直接转矩控制在全数字化、大转矩、快速响应的交流伺服系统中有广阔应用前景。

交流电机是一个强耦合、非线性、多变量系统:非线性控制通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和全局线性化，将非线性、多变量、强耦合的交流电动机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中转子磁链子系统由两个惯性环节组成。两个子系统的调节按线性控制理论分别设计，以使系统达到预期的性能指标。

但是，非线性系统反馈线性化的基础是已知参数的电动机模型和系统的精确测量或观测，而电机在运行中，参数受各个因素的影响会发生变化，磁链观测的准确性也很难论证，这些都会影响系统的鲁棒性，甚至造成系统性能恶化。目前这种控制方法仍有待进一步完善。

自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，是克服参数变化影响的有力手段。应用于永磁交流电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题是:①数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化;②辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，就会因来不及校正而难以产生很好的效果。

滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统"结构"随时变化的开关特性。其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的"滑动模态"轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。在过去10多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，并已取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在"抖振"问题。主要原因是:①对于实际的滑模变结构系统，其控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限;②系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，形成"准滑模"等。所以，在实际系统中"抖振"必定存在且无法消除，这就限制了它的应用。

无刷直流电动机是电动机技术和电子技术结合的机电一体化新型微电机。它是一种最有前途的电动机。无刷直流电动机的主要特征是具有与普通有刷直流电流电动机相似的机械特性以及必须有电子换向电路。由于无刷直流电动机彻底取消了机械换向器和电刷，而又具备传统直流电动机相同的线性机械特性，调速范围宽，起动力矩大，效率高等优点，又具有如下特点:

⑴高可靠性、长寿命，工作时限主要决定于轴承及润滑，高性能电动机的使用寿命可达数万小时。

⑵不必经常维护。

⑶无电气接触火花，安全、防爆性好，无线电干扰小 。

⑷机械噪声低。

⑸可工作于高真空，有腐蚀性气体介质和液体介质环境中，例如宇航设备。

⑹可工作于高速或超高速。已有100000r/min产品。

⑺采用内定子外转子(inside-out)结构，绕组在定子上，易于散热，转子采用永磁体励磁，无通电绕组，几乎无损耗和发热。

⑻与电子电路结合，有更大的使用灵活性。例如:利用小功率逻辑控制信号可控制电动机的起停，正反转或调节转速，适于数字控制，易于与微机接口。正由于此，无刷直流电动机在工业和家用及国防等领域获得了广泛的应用。

在航空航天领域，由于高真空，无刷直流电动机的优势是最明显的。如宇宙飞船中用的各种泵，使用了许多无刷电动机。