基于模糊PID控制的无刷直流电机调速(2)
1.2 无刷直流电机的发展历程
一百多年以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域及人们的日常生活之中。根据采用的电流制式的不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类。众所周知，直流电机具有调速性能好、运行效率高等诸多优点。但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械磨擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及文修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。针对上述传统直流电动机的弊病，早在 20 世纪 30 年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定的成果。但由于当时的大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换向元器件。使得这种电动机只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1955 年，美国的 D.哈里森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生，但由于这种电动机尚无起动转矩而不能产品化。之后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在 1962 年问世，从而开创了无刷直流电动机产品化的新纪元。20 世纪 70 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如 GTR, MOSFET, IGBT 等相继出现，以及高性能的永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。随着研究和开发经验的逐步成熟，无刷直流电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化、微型化方向发展[2]。
1.3 无刷直流电动机的特点及应用
1.3.1 无刷直流电动机的特点
无刷直流电动机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。无刷直流电动机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相来代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，定子磁场和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。和有刷直流电动机相比，无刷直流电动机由于取消了电机的滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了励磁损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。
1.3.2 无刷直流电动机的应用
由于无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、文护方便等一系列优点，又采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。故在当今国民经济的各个领域的应用日益普及。无刷直流电动机的应用主要有以下几方面：
(1)定速驱动方面的应用
一般工业场合不需要调速的领域以往大多是采用三相或单相交流异步和同步电动机。随着电力电子技术的进步，在功率不大于 10KW且连续运行的情况下，为了减少体积，节省材料，提高效率和降低能耗，越来越多的电动机正被无刷直流电动机逐步取代，这类应用有自动门、电梯、水泵、风机等。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁电动机外还要增加驱动器，因此目前较少有应用。
(2)调速驱动方面的应用
速度需要任意设定和调节，但控制精度要求不高的调速系统分为两种：一种是开环调速系统，另一种是闭环调速系统(此时的速度反馈器件多采用低分辨率的脉冲编码器或交、直流测速等)。通常采用的电机主要有三种：直流电动机、交流异步电动机和无刷直流电动机。这在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。调速应用领域最初用得最多的是直流电动机，随着交流调速技术特别是电力电子技术和控制技术的发展，交流变频技术获得了广泛应用，变频器和交流电动机迅速渗透到直流调速系统的绝大多数应用领域。近几年来，由于无刷直流电动机体积小、重量小和高效节能等一系列优点，中小功率的交流变频系统正逐步被无刷直流电动机系统所取代，特别是在纺织机械、印刷机械等原来应用变频系统较多的领域，而在一些直接由电池供电的直流电动机应用领域，则更多的由无刷直流电动机所取代。