無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)在市場(chǎng)和廣泛的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中得到了迅速采用，因?yàn)樗鼈兣c傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。更少的維護(hù)、更高的運(yùn)行速度、緊湊、更少的電氣噪聲、更好的扭矩重量比，僅舉幾例。 盡管有這些優(yōu)勢(shì)，但 BLDC 電機(jī)的成本高于傳統(tǒng)直流電機(jī)，因?yàn)樗鼈冃枰姍C(jī)驅(qū)動(dòng)控制器（用于電子換向）和轉(zhuǎn)子位置傳感器。
無(wú)傳感器控制技術(shù)被認(rèn)為是節(jié)省成本的好處，還可以提高系統(tǒng)可靠性，減少電氣連接的數(shù)量，消除機(jī)械對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，并減少電機(jī)的尺寸和重量。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)傳感器控制的定義是在沒(méi)有通常需要的轉(zhuǎn)子位置傳感器的情況下運(yùn)行 BLDC 電機(jī)，消除轉(zhuǎn)子位置傳感器（例如，光學(xué)編碼器、霍爾效應(yīng)傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、電纜和解碼電路）加起來(lái)降低制造成本，提高可靠性和耐用性。
有傳感器的 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器的3相 PWM 逆變器來(lái)執(zhí)行換相和/或電流控制。但是，獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法不同，在無(wú)傳感器控制技術(shù)中，轉(zhuǎn)子位置信息是通過(guò)間接感應(yīng)三個(gè)電機(jī)端子電壓之一的反電動(dòng)勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)）來(lái)確定的。由于3個(gè)BLDC電機(jī)相繞組中只有兩個(gè)同時(shí)導(dǎo)通，因此第三個(gè)非導(dǎo)電相背負(fù)可以間接計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度的反電動(dòng)勢(shì)。目前，無(wú)傳感器技術(shù)尚未得到廣泛采用，在未來(lái)，它有望成為主要的 BLDC 電機(jī)控制方法。
盡管 BLDC 電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它們具有一個(gè)限制因素：傾向于表現(xiàn)出扭矩脈動(dòng)。這些脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致聲學(xué)噪聲和振動(dòng)，并且會(huì)嚴(yán)重限制系統(tǒng)的性能，特別是在高精度和高穩(wěn)定性應(yīng)用中。在高速應(yīng)用中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以通過(guò)負(fù)載的慣性濾除。然而，在低速時(shí)，當(dāng)它們最明顯時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)極大地限制性能。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是由 BLDC 電機(jī)和 PWM 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)引起的，包括電機(jī)的幾何缺陷、不精確的換向、電流驅(qū)動(dòng)波形的保真度 、相位延遲、摩擦和電機(jī)中的磁滯。它們可以通過(guò)更好的電機(jī)設(shè)計(jì)或使用更好的驅(qū)動(dòng)控制器來(lái)減少。
轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分為兩大類：齒槽轉(zhuǎn)矩和換向轉(zhuǎn)矩，齒槽轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子槽開(kāi)口引起的磁阻變化產(chǎn)生的�？梢酝ㄟ^(guò)改變電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)減少齒槽轉(zhuǎn)矩，例如定子槽的傾斜、選擇分?jǐn)?shù)槽/極電機(jī)設(shè)計(jì)或選擇相對(duì)于槽間距的磁體寬度。換向轉(zhuǎn)矩紋波是由驅(qū)動(dòng)器的 PWM 逆變器和是由于電流滯后或逆變器產(chǎn)生高頻電流紋波。換相時(shí)，一相關(guān)斷，另一相導(dǎo)通，所以各相電流的上升和下降速率不相等，因此兩相電流在換相過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不會(huì)瞬間加到轉(zhuǎn)矩值上。一個(gè)完全勵(lì)磁的相位，這將允許在換向間隔內(nèi)獲得平滑的扭矩。
為了最大限度地減少換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，需要對(duì) BLDC 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行改進(jìn)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中使用了幾種方法來(lái)最小化換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。一種方法是添加電感-電容 (L-C) 濾波器，以減少逆變器輸出到電機(jī)的高頻分量。但減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵因素是通過(guò)調(diào)整繞組的導(dǎo)通相位使其適當(dāng)補(bǔ)償來(lái)消除轉(zhuǎn)矩諧波。還有其他四種方法被引入來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的降低：(1) 使用直接轉(zhuǎn)矩控制，( 2) 動(dòng)態(tài)改變輸入電壓，(3) 添加扭矩估計(jì)電路，以及 (4) 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和主動(dòng)抗擾控制。
集成 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器
集成的 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器是最新趨勢(shì)之一，有望降低成本、提高可靠性和緊湊型。未來(lái)，集成 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有望成為市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。 2021 年，集成 BLDC 電機(jī)增長(zhǎng)了 47.7%，正在迅速取代交流伺服電機(jī)。越來(lái)越多的無(wú)刷直流集成電機(jī)正在附帶高級(jí)反饋的結(jié)果。此外，從 2019 年到 2020 年，具有位置控制功能的集成 BLDC 電機(jī)的復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將達(dá)到 18.6%。
電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的集成是兩個(gè)新發(fā)展的結(jié)果：(1) 電子元件的效率不斷提高，導(dǎo)致電力電子設(shè)備的尺寸減�。�(2) BLDC 電機(jī)的稀土永磁體消除了轉(zhuǎn)子的熱源，因此內(nèi)部溫升比傳統(tǒng)的直流電機(jī)小，可以將逆變器控制安裝到電機(jī)中。目前，集成 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的功率在100瓦范圍內(nèi)。隨著集成 BLDC 電機(jī)市場(chǎng)和尺寸范圍的增加，它們將設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，并消除對(duì)逆變器控制室、通風(fēng)設(shè)備以及電機(jī)和逆變器之間電纜的需求。
BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的大多數(shù)新趨勢(shì)都需要具有高速微處理器和高密度可編程邏輯控制器技術(shù)的高性能控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些被稱為數(shù)字信號(hào)處理器高性能控制器正迅速被市場(chǎng)采用，這推動(dòng)了它們的價(jià)格穩(wěn)步下降。即使是低成本的數(shù)字信號(hào)處理器也可以執(zhí)行復(fù)雜的算法，以提高噪聲控制、變速、能源效率等領(lǐng)域的電機(jī)性能。過(guò)去，帶有 8 位微控制器的基本數(shù)字控制器具有足夠的帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)基本速度控制。
隨著電機(jī)控制算法的復(fù)雜性已經(jīng)增加，對(duì)更高性能和更可編程解決方案的需求也在增加，數(shù)字信號(hào)處理器提供了此類應(yīng)用所需的大部分帶寬和可編程性。具體而言，低成本數(shù)字信號(hào)處理器的帶寬使用實(shí)現(xiàn)了以下特性：1、比例-積分-微分 (PID) 控制以提高精度，2、無(wú)傳感器算法可消除昂貴的速度和電流傳感器，3、隨機(jī)脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 以減少噪聲和輸入濾波器尺寸，4、紋波補(bǔ)償算法可減小驅(qū)動(dòng)器的直流母線電容器尺寸，5、功率因數(shù)校正 (PFC) 以消除專用 PFC 控制器�；蛟S數(shù)字信號(hào)處理器最大的長(zhǎng)期好處是驅(qū)動(dòng)器接口的標(biāo)準(zhǔn)化，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的完全數(shù)字化，以及與上層和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)傳輸”更容易的手段，便于監(jiān)控和診斷系統(tǒng)故障。
BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)不僅克服了成本問(wèn)題，而且提供了傳統(tǒng)直流電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能。實(shí)施不需要轉(zhuǎn)子位置反饋傳感器的無(wú)傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的最新趨勢(shì)之一，可以節(jié)省成本。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)PWM 開(kāi)關(guān)策略的變化有望消除與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相關(guān)的問(wèn)題。 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的另一個(gè)主要趨勢(shì)是將 BLDC 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備集成到單個(gè)封裝中，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)、最大限度地減少互連電纜、降低噪音并解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)兼容性問(wèn)題。
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