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1、武汉工程大学毕业设计(外文文献翻译）英 文 翻 译题 目:Recent advances in permanent magnet brushless DC motors 专 业 班 级: 学 号: 姓 名: 指 导 教 师: 学 院 名 称:电气信息学院 年 月 日 本文摘自Sadhana, Vol. 22, Part 6, December 1997, pp. 837-845.文献翻译永磁无刷直流电动机的最新进展BHIM SINGH电气工程技术学院，印度理工大学，Hauz Khas，新德里110016，印度电子邮箱：bsingh ee.iitd.ernet.in摘要 本文论述了永磁无刷直流（
2、PMBLDC）电机驱动的最新发展成果，并作出对先进水平的各类电机的建设、闭环控制器的位置、速度和电流/转矩的控制以及最近趋势的逆变器、传感器等的综合考量。详细讨论无机械传感器技术，和减少转矩脉动，噪音和振动的特殊方法，叙述在永磁无刷直流电机驱动控制中使用集成芯片的微电子影响。由于驱动器性能的改善和成本的减少，其应用范围在日益扩大。关键词 永磁无刷直流电机；传感器；控制器；无位置传感器运行；转矩脉动。1.引言1-24 永磁无刷直流（PMBLDC）电机的应用范围越来越广，如家用电器、汽车、信息技术设备、工业设备、公共生活设施、交通运输、航空航天、国防设备、电动工具、玩具、视觉音响设备、医疗健康器材
3、，这些设备从微瓦至兆瓦不等。其性能的优越性体现在：效率高、响应速度快、重量轻、控制精准、可靠性高、免维护运行、无电刷、功率密度高和体积小。最新的无刷直流电动机采用高性能稀土材料制成，应用不同的电机结构，如轴向场、径向场、封装类型、矩形反馈、正弦反馈来提高传感器技术，加快半导体模块反应速度，降低成本，提高微电子器件性能。最新的控制理念，如拥有稳定性好，适应性强的模糊神经网络控制器，对于其在转速为每分钟几转到几千转的范围内的广泛使用是一个福音。他们已被证明在机床、机器人技术和高精度伺服系统，以及各种工业和过程控制中的速度控制和转矩控制的应用上最适用于位置控制。尽管永磁无刷直流电机是电机中的佼佼者，
4、但它在目前看来依旧面临着许多障碍，如大量零部件带来的成本、转矩脉动、噪音、振动而降低了可靠性的问题，还有操作上的限制，如温度升高等。为了克服这些问题，已经在驱动器的各个方面做了坚持不懈的努力。永磁无刷直流电机本身无疑有着相当大的使命；本文集中讨论从电机结构、闭环控制器、半导体功率模块、传感器和无传感器、转矩脉动最小化、微电子影响、降低成本和潜在的应用这些方面来讲，永磁无刷直流电机的最新进展。2.永磁无刷直流电机的最新发展在各种电机中永磁激励已代替了直流励磁，如直流电机、同步电机和新型永磁无刷电机如永磁步进电机、混合步进电机和永磁无刷直流电机。高成本的永磁材料是电机使用和发展的主要瓶颈。更好的永
5、磁材料、日益提高的制造工艺、电机为了满足特定的应用而设计的不同的构造使其成为目前最好的电机。永磁电机的范围很广，本文仅限永磁无刷直流电机。目前永磁无刷直流电机中的永磁材料可以分为以下三种：铝镍钴（A1-Ni-Co-Fe），陶瓷包括铁氧体和稀土材料，如钐-钴（Sm-Co）、钕-铁-硼（Nd-Fe-B）。铝镍钴和铁氧体早已在永磁电机中使用，因为它们便宜且容易获得。稀土永磁材料，即钐钴，由于其高剩余磁通密度、抗磁力和低温度系数造成的高能量密度，目前也投入使用。钕铁硼被认为是目前最好的永磁材料之一，因为它提供了更高的剩余磁通密度和抗磁力，然而，它唯一的缺点是其温度界限，目前正在不断努力克服这一点，这也
6、将使得永磁无刷直流电机拥有更高的效率和更小的规模等优点。永磁无刷直流电机可分为不同的类别，例如相数、径向或轴向场、无保持架或带保持架杆，表面安装永磁铁或埋入磁铁，正弦波或矩形馈电机等，其中一部分在本章会作简要讨论。2.1相数永磁无刷直流电机的管轴流风机设计为低功率单相（50W），用于冷却电子设备。它在太阳能光伏反馈制冷系统，伺服控制等家用电器中为两相结构。大部分的中，高功率的电机被设计成类似于传统的交流电机三相结构。在一些电动车和潜艇推进器等兆瓦等级电动机中，设计师为了降低每相的功率处理要求将相数增加至五个，六个或更多。2.2径向和轴向场电机市面上大多数电机都是径向场类型（圆柱形或凸极构造）。
7、然而，轴向场电机在功率密度，转矩惯量比，峰值扭力，磁铁重量少，电感低，绕组匝数少，设计紧凑等方面比传统的径向构造更有优势。轴向场电机设计为包裹，磁盘和三明治型结构，并且转子中没有铁，这使得惯性降低。在轴向场电机中，轴向磁场是由转子磁铁与径向电流的相互作用产生的，磁铁被封装在树脂或塑料壳内。由于它们的性能，它们被认为最适用于机器人技术，计算机设备和机床等。径向场电机的设计也有不同的磁链波形，如正弦波或梯形波，不同的形状和位置的转子磁铁，例如深埋或表面安装等。因为定子设计类似于常规交流同步或异步电动机，它们被广泛使用。图1显示了这两种类型的流行永磁无刷直流电动机的典型横截面。2.3转子内永磁铁的形
8、状和位置在永磁无刷直流电机中永磁铁放置于转子内。在轴向场电机中，磁体被封装在圆盘状的树脂或塑料内，如图所示，这些磁体是为了诱发正弦波或梯形波的反电动势而被这样放置。在径向场电机中，永磁体的放置方式不同，例如在低速电机中表面贴装，而在高速永磁无刷电机中放置在内部径向方向或切向方向，图2显示出了这种转子的几何形状。根据应用程序，它们还能实现正弦或梯形反电动势。2.4正弦和矩形反馈电机永磁无刷直流电机设计成有正弦或梯形波（激发）引起反电动势。正弦电机需通入多相交流电流，类似于传统同步电动机，能够通过频率控制恒转矩运行于基速之下，并拥有相同的无纹波转矩和功率因数，在恒功率运行条件下能够通过电流影响磁场
9、的削弱。运行速度限制为会由电枢反应和机械结构引起的退磁的最大速度。转子的磁性特点为磁阻转矩有助于加宽恒功率运行速度范围。梯形激发电机需要具有120度电宽度和可调节大小和方向的多相位均衡矩形电流。磁与恒定振幅多相电流不断相互作用形成类似于电子换相的传统直流电机的无纹波转矩。因为这些矩形电流，他们也被称为开关永磁电机、无刷直流电机和电子换向永磁无刷直流电动机。图3为这两种类型的电机的理想电流波形。位置传感器是根据在电机绕组中的自同步控制模式来实现这些理想的电流波形的要求而变化。3. 闭环控制器不论正弦或梯形激励，永磁无刷直流电机在运动控制应用中用于位置控制，速度控制和转矩控制。图4示出了一个典型的
10、位置闭环控制内的速度和电流回路。速度控制系统外位置环是不需要的，且速度给定是命令信号。转矩控制与高性能运动控制结合，其通过同步相电流和轴的位置反馈进行闭环调节。在大多数永磁无刷直流电机中，转矩与电流是线性相关的，并且转矩指令只用一个简单的比例常数即可映射到当前指令。在特殊情况下，转矩和电流指令之间为非线性映射。永磁无刷直流电机驱动的恒功率运行是通过弱磁控制技术，这也要求转矩与电流映射的另一个命令信号。永磁无刷直流电机相绕组的电流调节无论是正弦波还是矩形波方式都是利用电流控制电压源逆变器（VSI）实现的。脉宽调制是用于发出开关信号给逆变器从而实现绕组电流与命令电流一致的滞后和预测电流的控制器。速
11、度控制一般是使用速度反馈和速度指令实现的，速度指令是通过速度控制器给转矩控制器输出的指令信号。位置控制的实现是通过位置控制器的位置反馈和位置命令实现的，位置控制器的输出是内部速度环的速度指令。位置和速度闭环控制器都是使用不同宽度的闭环控制器，比如PI（比例-积分）、PID（比例-积分-微分）、SMC（滑膜控制器）、自适应控制器、模糊控制器和神经控制器。这些经典（PI或PID）控制器或先进的闭环控制器，如SMC、模糊和神经网络控制器都是采用DSP、微处理器和专用集成芯片（ASIC）来实现速度和位置控制。许多制造商已经开发ASIC用于永磁无刷直流电动机的典型应用。4. 逆变器和转换器的最近发展永磁
12、无刷直流电机均是由变频逆变器提供电子换向。在小功率的变频器中，基于场效应晶体管的虚拟交换接口用来实现理想的电流控制和合理的高开关频率。在中等功率的变频器中，基于场效应晶体管的虚拟交换接口用来服务于永磁无刷直流电机。由于GTO型逆变器的自整流功能和电流控制的改进，它被用于高功率的永磁无刷直流电机中。在中、高额定功率额永磁无刷直流电机中，输入功率因数整流器PWM电流控制是用来实现稳压直流环节和永磁无刷直流电机驱动的再生功能。经典的PI/ PID和前馈闭环控制器用于前端转换器的控制，它提高了交流电源的电能质量，在电源流动的各个方向上降低了谐波和单位功率因数。最近的MOSFET/IGBT为基于VSI使
13、用模块的形式实现紧凑驱动器的设计。功率MOS集成电路用于控制小功率的永磁无刷直流电机，该电机为了控制和功率放大使用集成微电子去激励电机。此外，它们的门驱动器也以模块的形式用在了所有的保护和智能控制功能中。在一些典型的应用（住宅商业鼓风机）中，它们安装非常紧凑以致全部安装在电机外壳内。5. 传感器的最新趋势在永磁无刷直流电机的控制中，位置、速度和电流传感器基本上都需要调节相电流与转子位置同步。此外，有时端电压传感器也须估计任一位置或速度，电压传感器还需要在制动或前端转换器的控制下来调节直流母线电压。在一些典型情况下，磁通传感器和扭矩传感器也使用于电机的精确控制中。这些传感器的基础性作用已经在第三
14、章永磁无刷直流电机驱动器的闭环控制中作了讨论。在下面的部分中，会对传感器的最新趋势及其功能进行简要讨论。5.1位置传感器在永磁无刷直流电机中，转子磁通位置是由旋转机械角度定义的，这是转子位置传感器以某种形式实现的。转子磁通位置所需的相电流与转子位置同步，还需要进行位置控制。转子位置使用位置传感器直接感知或间接地使用各种测量参数估计。因此，转子位置检测是必不可少的电流控制永磁无刷直流电机驱动器。转子位置的感应采用旋转变压器、感应模块绝对系统（IMAS）、霍尔效应传感器、磁敏电阻、电子和光学编码器、同步器和角度传感器。角度传感器是一个具有永磁场和梯形输出波形的气隙磁敏三相交流发电机，它用于位置和速
15、度检测和模拟信号输出，可配置有4、6和8极。该编码器的特点是每转的脉冲数（PPR），现在他们应用于几千PPR。接口芯片也可用于将这些传感器信号转换成数字形式进给数字处理器以用于永磁无刷直流电机驱动的智能控制。间接位置检测是通过运用其他测量参数，如电流和电压来估计转子位置实现的。在下一节中将会详细描述转子磁连位置估计的相关技术。5.2速度/转速传感器在永磁直流电机驱动中，速度和速度信号基本上需要位置控制驱动器的速度控制回路和速度控制驱动器的速度反馈。速度测量由速度传感器直接得出或用转子位置信号估计间接得出。一般的直流测速发电机和无刷测速发电机用于检测电机的速度，它们提供了一个模拟直流电压信号，该
16、信号正比于轴速度。在各种类型的测速发电机上电压的极性信号反映出旋转的方向。如今通过使用高分辨率位置传感器或估量转子磁通位置能够更准确地估计出转子的速度/转速。有时，这些传感器不同于用于电子换向的位置传感器。5.3电流传感器高性能永磁无刷直流电机驱动的快速转矩控制是通过与转子磁通位置信息同步的相绕组电流的闭环调节来实现的，绕组电流的闭环调节是通过CC-VSI的PWM或超过参考所需的感应电流或电流控制器的滞后电流控制器实现的。因此，绕组电流检测在永磁无刷直流电机的驱动中变得不可缺少。电流检测一般使用霍尔效应电流传感器，它检测电流的大小和方向，并整合以提供灵敏和精确的电流检测。非常快的响应（小于1微
17、秒）和精确的电流传感器在大范围电流检测（安培至千安的分数）的不同厂家（ABB、LEM等）都有现货。这些霍尔效应电流传感器有几千伏的电气隔离，这是在高水平的驱动器中非常理想的要求。通常在三相电机中需要两个电流传感器，第三相电流由与电动机连接的星型结构的其他两相电流估计得出。这些电流调节矩形永磁无刷直流电机的电流检测要求通常减少到在逆变器的直流链路的单个电流传感器。电流分流电阻器具有低功耗，通常为了成本效益在低功率驱动器中做电流传感器。在调制解调器的电源设备中，例如MOSFET / IGBT的电流检测功能是许多制造商在逆变器/转换器供给永磁无刷直流电机的控制中省去了使用额外的电流传感器。5.4电压
18、传感器在现代先进永磁无刷直流电机驱动器中，端电压传感技术需要估算转子的位置和速度，故选用机械传感器驱动以减小尺寸、成本、维护和增强可靠性。电压传感器还需要在制动过程中调节直流母线电压，或在高规格的变频器中用于再生功能的前端转换器控制。端电压检测是通过使用电子隔离放大器（ADI公司制造的AD202等）和霍尔效应电压传感器（ABB制造等）的电隔离。在小规格的变频器中，电压检测采用高阻值电阻分压器来降低驱动器的成本。有时，在电机绕组的感应电压使用特殊绕组诸如探测线圈等来实现。然而，前端变换器的控制中交流电源电压用电压互感器感测。6. 传感器的消除和减少传感器最新趋势，它们的要求和可用类型的传感器已经
19、在第5章讨论过。然而，这些传感器在无刷直流电机驱动中可以从尺寸、成本、维护和可靠性的角度降低。通常机械转子位置和速度传感器的缺点是增大了电机和控制器之间的连接数量，增加了干扰，由于环境因素如温度，湿度，震动等限制了传感器的精度，增加了摩擦和惯性及电机外壳额外的空间。由于这些问题，在去除机械转子位置/速度传感器而代以利用感应电流和电压估算转子位置和速度的技术上有很大的兴趣和发展。而且，电压和电流传感器的数目可以通过在逆变器馈送永磁无刷直流电机的控制中使用智能处理器来减少。这些传感器的消除和减少的各种技术将在下面的部分作简要讨论。6.1无机械传感器无转子角位置传感器技术是在最新发展的永磁无刷直流电
20、机驱动中最迅速发展的新技术。在许多应用中，无轴装式位置传感器是非常理想的特性，因为该传感器是在驱动器中最昂贵和脆弱的部件之一。以下为一些无位置传感器方案的分类简述。6.2反电动势位置估计法转子磁通位置检测最常用的方法是根据推导的反电动势信号。下面对基于反电动势的转子位置检测的各种方法作简要介绍。6.2a 直接反电动势检测：这个方法对矩形馈永磁无刷直流电机很适用。在这些永磁电机中，特别是相绕组被激励为每个电周期的2/3，且最好始终有一相是不被激励的。直接按顺序检测未被激励相的反电动势，用来产生与转子磁通同步的离散的转子位置信号电流。它已被应用于许多工业应用，包括磁盘驱动器、紧凑的立体声播放机和室
21、内空调机。6.2b 反电动势的估算：此方法同时适用于正弦馈和矩形馈永磁无刷直流电机。此方法基于用电动机的电压方程式重建反电动势。反电动势的重建既涉及模拟公式与运算放大器，也涉及运用通常用于控制的在线数字处理器来解这个方程。在这种方法中，端电压和线电流均是直接测量，且上述等式是用于实现反电动势和转子位置的估算。b a图1. 两种永磁无刷直流电机横截面 (a) 轴向电机 (b) 径向电机图2 永磁无刷直流电机的转子几何形状 (a) 表面安装 (b) 内部径向取向 (c) 内部磁体切向图3 (a) 正弦电机和 (b) 梯形波电机的理想电流激励波形图4 永磁无刷直流电机速度和电流回路的闭环控制模块图9
22、英文原著Recent advances in permanent magnet brushless DC motorsBHIM SINGHDepartment of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology, Hauz Khas, New Delhi 110016, Indiae-mail: bsingh ee.iitd.ernet.inAbstract. This paper deals with the latest developments in Permanent Magnet Brushless DC (PMBLDC
23、) motor drives. A comprehensive account of the state of the art on types of construction of the motor, closed loop controllers in position, speed and current/torque control and recent trends in inverters, sensors etc. are given. Techniques for mechanical sensors elimination are discussed in detail.
24、Special efforts made to reduce torque ripples, noise and vibrations are described. The impact of microelectronics through integrated chips used in the control of PMBLDC motor drives is given. The increasing applications of this drive due to improved performance and its cost reduction are also enlist
25、ed. Keywords. PMBLDC motor; sensors; controllers; sensorless operation; torque pulsations.1. Introduction1 Permanent Magnet Brushless DC (PMBLDC) motors are increasingly being used in a wide spectrum of applications such as domestic equipments, automobiles, information technology equipment, industri
26、es, public life appliances, transportation, aerospace, defence equipment, power tools, toys, vision and sound equipment and medical and health care equipment ranging from microwatts to megawatts . It has become possible because of their superior performance in terms of high efficiency, fast response
27、, light weight, precise and accurate control, high reliability, maintenance free operation, brushless construction, high power density and reduced size. Recent developments in PMBLDC motor technology in terms of availability of high performance rare earth PM materials, varying motor constructions su
28、ch as axial field, radial field, package type, rectangular fed, sine fed motors, improved sensor technology, fast semiconductor modules, low cost high performance microelectronics devices, new control philosophy such as robust, adaptive, fuzzy, neural AI based controllers, have been a boon to their
29、widespread use in the large speed ranges from few revolutions to several thousand revolutions per minute (rpm). They have been proven most suitable for position control in machine tools, robotics and high precision servos, speed control and torque control in various industry and process control appl
30、ications. Inspite of being one of the best, the PMBLDC motor has faced many hurdles to come to its present stage in terms of cost, torque ripples, noise, vibrations, reduced reliability due to the large number of components, operational constraints such as temperature rise etc. Continuous efforts ha
31、ve been made to overcome these problems on different aspects of this drive. The PMBLDC motor drive is undoubtedly quite a big mission in itself; this paper concentrates on the recent advances in PMBLDC motors in terms of motor construction, closed loop controllers, semiconductor power modules, senso
32、rs and their reduction, torque ripple minimization, impact of microelectronics, cost reduction and potential applications.2. Latest developments in the PMBLDC motors Permanent magnet (PM) excitation has been used in place of dc excitation in different electric machines such as dc machines, synchrono
33、us machines and new PMBL machines such as PM stepper motors, hybrid stepper motors and PMBLDC motors. High cost of PM materials has been a major bottleneck for use and development of these electric machines. Gradual growth of better PM materials, improved manufacturing technology, varying nature of
34、construction of these motors to suit specific applications have brought them at a level where they are considered one of the best motors available nowadays. PM machines have a wide spectrum but this paper is restricted to PMBLDC motors. Presently PM materials used in PMBLDC motors are classified in
35、the following three broad categories, namely Alnico (A1-Ni-Co-Fe), Ceramics also include ferrites and rare-earth materials such as samarium-cobalt (Sm-Co), neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B). Alnico and ferrites have long been used in the development of PM motors as they are cheap and easily available.
36、Rare-earth PM materials, namely SmCo, are used nowadays because of the high energy density caused by its high residual flux density, coercive force and low temperature coefficient. NdFeB is considered one of the best PM materials presently since it offers much higher residual flux density and coerci
37、ve force. However, its only drawback is the temperature limit. Continuous efforts are being made to overcome this and it is hoped that this will enable PMBLDC motors to attain higher efficiencies and lower sizes along with other advantages. PMBLDC motors may be classified into different categories s
38、uch as number of phases, radial or axial field, cageless or with cage bars, surface mounted PMs or buried magnets, sinusoidal or rectangular fed motors etc. Some of them are briefly discussed in this section.2.1 Number of phases PMBLDC motors are developed in single phase in low power ( 50W) for tub
39、e axial fans to cool electronics equipments. They are manufactured in two phase construction for home appliances such as solar PV fed refrigeration system, servo control etc. Most of the medium and high power rating motors are designed in three-phase construction similar to conventional ac motors. I
40、n some electric vehicles and megawatt rating motors for submarine propulsion etc., designers have compelling reasons to increase the number of phases to five, six or more in order to reduce the per phase power handling requirements.2.2 Radial and axial field motors Most of the motors in the market a
41、re radial field type (cylindrical or salient pole construction). However, the axial field motors have some advantages over the conventional radial field construction in terms of power density, torque to inertia ratio, peak torque, less magnet weight, low inductance, short winding turns, compact desi
42、gn etc. Axial field motors are designed in package, disk and sandwich type construction and have no iron in the rotor, resulting in low inertia. Axially directed magnetic field from rotor magnet interacts with radially directed currents in these axial field motors. The magnets are encapsulated in re
43、sin or plastic. Because of their construction, they are considered most suitable for robotics, computer equipments, machine tools etc. Radial field motors are also designed with varying desired flux linkage waveforms such as sinusoidal or trapezoidal, different shapes and positions of magnets in the
44、 rotor such as buried or surface mounted etc. They are widely used since stator design is similar to conventional ac synchronous or induction motors. Figure 1 shows the typical cross-sections of these two types of popular PMBLDC motors.2.3 Shape and location of PM in rotors Permanent magnets are pla
45、ced in the rotor in PMBLDC motors. In axial field type of motors, the magnets are encapsulated in resin or plastic in disc form as shown in figure la. These magnets are placed in such a manner that induced back emf are either sinusoidal or trapezoidal waveforms. In radial field motors, the magnets a
46、re placed in different form such as surface mounted for low speed motors and interior radially oriented or interior tangentially oriented in high speed PMBL motors. Figure 2 shows such rotor geometries. They are also designed to achieve sinusoidal or trapezoidal back emfs depending upon applications
47、.2.4 Sinusoidal and rectangular fed motors PMBLDC motors are designed to have either sinusoidal or trapezoidal (excited) induced back emfs. Sinusoidal excited motors are fed with sinusoidal polyphase currents similar to conventional synchronous motors for ripple-free torque with unity power factor f
48、or constant torque operation below base speed with frequency control and having leading currents to affect field weakening for constant power operation. Maximum speed of operation is restricted with demagnetization caused by armature reaction and mechanical construction. Magnetic saliency on rotor with reluctance torque helps to achieve wide speed range of constant power operation. Trapezoidal excited motors need polyphase ba