第1章绪论
目前，国内外对无刷直流电机（brushless DC motor，BLDCM）的定义一般存在两种观点。一种观点认为，具有梯形波反电动势的无刷电机称为无刷直流电机，而具有正弦波反电动势的无刷电机称为永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）[1，2]。另一种观点认为，具有梯形波反电动势的无刷电机和具有正弦波反电动势的无刷电机均可称为无刷直流电机 [3]。在 ANSI/IEEE（American National Standards Institute/Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国国家标准学会 /电气与电子工程师协会）100-1984中只定义了无刷旋转电机（brushless rotary machinery）[4]，NEMA（National Electrical Manufactures Association，美国电气制造商协会）标准 MG7-1987将无刷直流电机定义为，一种转子由永磁体励磁，根据转子位置信号实现电子换相控制的自同步旋转电机[5]。目前，对无刷直流电机的定义还没有形成共识。本书将反电动势为梯形波，通过控制器控制各相绕组进行电子换相的自同步旋转电机称为无刷直流电机，并在此基础上对无刷直流电机的基础理论和关键技术展开论述。本章将分别论述无刷直流电机的发展历史、应用场合、研究现状及相关技术的发展趋势。
1.1无刷直流电机发展历程
无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831年，法拉第发现电磁感应现象，从此奠定了现代电机的理论基础。19世纪 40年代，第一台直流电机研制成功。受电力电子器件和永磁体材料等发展的限制，无刷直流电机在一个多世纪后才面世。1915年，美国人Langmuir发明控制栅极的水银整流器，并制成直流变交流的逆变装置。针对传统直流电机的弊病，20世纪30年代，一些学者开始研制采用电子换相的无刷直流电机，为无刷直流电机的诞生提供了条件。由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相器件，这种可靠性差、效率低下的电机只能停留在实验室阶段，无法推广使用。无刷直流电机的原型出现在1955年Harrison和Rye公开的专利文件中。该专利以晶体管换相电路替代电刷和机械换向器。由于晶体管是半控元件，因此需要在电机信号绕组中感生出周期性的电动势才能使功率绕组轮流导通，但是转子静止时，信号绕组上并没有感生电动势，所以早期的无刷直流电机没有起动转矩[6]。20世纪60年代进入了集成电路的快速发展阶段，霍尔半导体及其调理电路被突破性地集成在一块芯片上。这一技术革新直接推动了无刷直流电机的真正诞生，Wilson等在 1962年发表的文献中首次对无刷直流电机进行了介绍[7]。20世纪 70年代，以金属-氧化物半导体场效晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）为代表的全控型电力电子器件得到推广，以钐钴、钕铁硼为代表的永磁材料相继被发现，无刷直流电机又迎来新一轮快速发展的机遇。在1978年的 Hannover贸易展览会上，Mannesmann集团的Indramat分部正式推出无刷直流电机及其驱动器。这标志着无刷直流电机进入实际的工业应用。
电机系统广泛应用于工业生产和日常生活，是电力能源的*大消耗终端，研发并推广应用高能效电机系统是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要途径[8]。据统计，截至2015年，我国电机的保有量约为24亿千瓦，年耗电量达到3.5亿千瓦时，约占全社会总用电量的65%，其中工业领域电机用电量约占工业总用电量的74%。2021年，工信部、市场监管总局发布《电机能效提升计划（2021—2023年）》，针对工业绿色高质量发展的需求，确立了“以电机系统生产制造、技术创新、推广应用和产业服务为重点方向，积极实施节能改造升级和能量系统优化，不断提升电机系统能效，支撑重点行业和领域节能提效，助力实现碳达峰碳中和目标”的指导思想，并针对高效节能电机制定“扩大绿色供给，拓展产业链，加快推广应用，推进智能化、数字化提升”的重点任务 [9]。提升电机系统能效的主要途径包括电机本体的优化设计和电机系统的变频改造两个方面[10]。在电机本体设计方面，稀土永磁电机不需要电励磁环节，相比传统的感应电机耗能更低，是一种典型的电机能效提升方案。此外，我国丰富的稀土资源也为稀土永磁电机的发展奠定了良好的基础。在电机系统变频改造方面，典型的方案是依托快速发展的电力电子技术和计算机控制技术，采用变频调速替代传统的调压调速和机械减速方式，利用高性能变频器及其控制算法提高电机能效。
作为典型的稀土永磁电机，无刷直流电机采用电力电子变流器实现变频调速，兼具结构紧凑简单、运行稳定可靠、维护成本低、效率高、转速 -转矩性能优良等优点[11-14]，广泛应用于交通运输、智能制造等领域。在推动装备制造业向高端化和智能化快速发展、降低电机系统能耗方面，无刷直流电机展现出良好的应用潜力。
1.2无刷直流电机应用场合
随着无刷直流电机理论研究的不断深入和关键技术的持续突破，无刷直流电
机的应用场合也不断拓展，特别是在航空航天、工业机器人与高档数控机床、新能源汽车等高端装备领域，无刷直流电机以其结构简单、功率密度大、效率高等优点得到广泛应用。
1.无刷直流电机在航空航天装备中的应用
在航空航天装备中，一般要求电机体积小、质量轻、可靠性高、工作寿命长。无刷直流电机由于其特殊的结构特点，以及良好的调速性能，在飞机、卫星、载人飞船等航空航天装备中得到广泛的应用，典型的应用如陀螺仪、机电作动器、氧气浓缩器、压气机、磁悬浮飞轮、离心泵等。以陀螺仪为例，传统的有刷电机需要的安装空间大，并且陀螺仪在高速运转时，传统有刷电机会产生大量的损耗。此外，由于换向器与电刷的存在，*高转速也受到一定的限制，而无刷直流电机的高功率 /质量比，以及高可靠性特点能够很好地解决有刷电机在应用中的瓶颈问题。随着多 /全电飞机技术的进一步发展，机电作动器得到广泛的使用，无刷直流电机因结构简单、运行效率高、调速范围宽、控制精度和可靠性高等显著优点成为机电作动器的首选。对于航空油泵用电机，传统的有刷直流电机寿命短、起动电流大、易产生电火花，在运行过程中容易出现各种问题，因此通常用无刷直流电机作为泵的驱动电机，有效克服有刷电机存在的诸多缺陷，提高油泵用电机的使用寿命与可靠性。此外，在航空航天领域的应用中，无刷直流电机的无位置传感器控制技术在保证控制精度的同时，可以进一步提升电机驱动系统的紧凑性，从而提升驱动系统功率密度；在应对航空航天装备的极端运行环境方面，无刷直流电机结构简单的特点也是其重要优势之一。
2.无刷直流电机在机器人和高档数控机床中的应用
机器人和高档数控机床通常需要伺服电机系统具有高稳定性、高伺服精度、高响应速度等性能指标。传统的有刷电机受限于自身结构缺陷，难以实现快速起停、加减速等要求，而无刷直流电机以其体积小、动态性能优良、可靠性高、转矩特性好等优点，成为工业机器人、数控机床、纺织机械、自动化生产线等装备伺服系统的重要解决方案之一。在工业机器人中，无刷直流电机主要用于机械臂关节驱动，与传统的有刷直流电机相比，无刷直流电机革除了换向器与电刷装置，不会产生环火现象，可以提高工业机器人在应对易燃易爆工作环境时的安全性和可靠性。在水下机器人的推进系统中，无刷直流电机更能满足高输出转矩、高动态响应、宽速度范围的性能需求，是解决水下机器人推进问题的有效方案之一。传统的数控机床通常采用步进电机作为驱动电机，然而由于步进电机的特性限制，设备的运行速度与精度很难进一步提高，而数控无刷直流电机伺服系统可以大幅度提高机床的运行速度和伺服精度，从而有效提高生产效率。随着机器人和高档数控机床对伺服精度、集成化、智能化要求的不断提升，解决好伺服系统的转矩波动抑制、伺服系统的模块化和可重构化、电机控制系统的智能感知等热点问题，成为无刷直流电机在本领域应用拓展的重要基础，对装备适应恶劣的运行环境具有重要意义。
3.无刷直流电机在新能源汽车领域的应用
随着节能减排理念的全面贯彻，电动汽车领域对电机性能和效率的要求日益提高。由于无刷直流电机具有尺寸小、机械噪声小、输出转矩大、使用年限长、集成化程度高等优点，因此与传统的有刷直流电机相比更适合电动汽车领域的应用。在新兴的电动汽车中，无刷直流电机可以作为主动力驱动汽车行驶，也可以应用于汽车中的空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等，提升乘客的驾驶舒适性。以汽车空调为例，传统有刷直流电机会限制汽车空调的寿命，同时机械电刷带来的噪声也无法避免。与家用空调机类似，以无刷直流电机驱动的汽车空调机将朝着性价比高、噪声低的变频方向发展。由于汽车结构愈来愈趋于整体化，电机的结构和大小也成为汽车品质的重要指标，有位置传感器的无刷直流电机因其位置传感器限制了电机的结构大小和使用范围，因此无位置传感器控制的无刷直流电机也将是新能源汽车发展的一个重要研究方向。
4.无刷直流电机在精密仪器中的应用
精密仪器领域对电机系统的性能要求更为严苛，它要求电机同时具备体积小、调速精度高、调速范围宽、起动性能好、工作噪声低等性能特点。例如，在外科手术领域中，传统器械驱动电机大部分采用单相交直流串激电机，工作时电刷和换向器摩擦产生的噪声会严重影响手术操作者的临场发挥，加重患者的身心负担，同时机械换向装置需要经常清洁和维护，增加了设备的使用成本。无刷直流电机采用电子换向代替了机械换向，可以较好地解决上述问题，而且相比单相交直流串激电机，无刷直流电机能在较宽的速度范围内连续精准变速，让操作者更精确、更灵活地实施手术。此外，在血液分析仪、医护监控设备、放射治疗设备等其他医疗设备中，无刷直流电机也得到广泛应用。以医学领域为代表的精密仪器，普遍要求驱动机构具有严格的可靠性，以避免给使用者和操作者带来意外伤害，因此高可靠性的无刷直流电机具有广泛的应用需求。
随着应用领域的不断拓展，无刷直流电机在复杂工况和极端环境下也面临诸多挑战，因此对无刷直流电机系统的控制策略开展深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.3无刷直流电机研究现状
1.3.1变流控制技术
无刷直流电机的理想相反电动势为平顶宽度 120.电角度的梯形波，为了产生恒定转矩，通常采用两两导通的方波电流驱动方式。在这种驱动方式下，变流控制技术是保证无刷直流电机在不同工况下正常运行的关键技术。传统的电压型交 -直-交变换器是无刷直流电机变流控制系统中常见的一种结构。该结构包括交 -直变换的整流部分，以及直 -交变换的逆变部分。然而，在实际应用中，打破常规的拓扑结构，引入新型的变流器拓扑可以进一步拓宽无刷直流电机的应用场合。
对于整流部分，在单相交流电源供电的无刷直流电机系统中，直流链通常需要配置一个大容量电解电容来减小二极管整流桥输出电压的波动。但是，大容量电解电容会降低无刷直流电机系统变流器的功率密度。一种减小直流链电容容量的有效手段是在保证电机正常运行所需能量的前提下，尽量降低直流链电容释放的能量，通过在直流链增加一个与直流链电容串联的功率管来控制整流桥和直流链电容的供电情况。文献 [15]、[16]分别提出基于定频调制的方法和基于不定频滞环控制的方法实现直流链功率管的控制，可以在直流链电容容值较小的情况下满足电机稳定运行所需的电压。
对于逆变部分，六开关三相桥式逆变电路是无刷直流电机系统中常用的一种驱动电路。若进一步减少逆变桥中功率器件的数量，则可以改善系统的成本和体积。
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