1、第 1章 绪论 1.1 脉宽调制技术的研究背景 电气传动的发展 随着电力电子技术、微处理器技术的发展以及材料技术尤其是永磁材料技术的进步，电气传动系统，包括交、直流电动机调速及伺服系统，正在向系统高性能、控制数字化、一体化机电的方向发展。直流传动系统控制简单、调速特性好，一直是调速传动领域中的重要组成部分。现代的直流传动系统的发展方向是电动机主极永磁化及换向无刷化，而无刷直流电动机正是在这样的趋势下所发展起来的机电一体化电动机系统。一般意义上的无刷直流电动机 (Bruhless DC Motor,BLDCM)是指方波 无刷直流电动机，其特征是只需简单的开关位置信号即可通过逆变桥驱动永磁电动机工
2、作。 1975 年无刷直流电动机首次出现在 NASA 报告中。之后，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出现，以及大功率、全控型功率器件的出现，使无刷直流电动机系统获得了迅速的发展。 1977 年，出现了采用钐钻永磁材料的无刷直流电动机。之后不久，无刷直流电动机系统开始广泛采用高磁能积、高矫顽力、低成本的第三代 NdFeB 永磁材料，且采用霍尔元件作位置传感器，采用三相全桥驱动方式，以提高输出转矩，使其更加实用。 1986 年，H.R.Bolton 对方 波无刷直流电动机系统进行了全面的总结，这标志着方波无刷直流电动机系统在理论上、驱动控制方法上已基本成熟。近年来，虽然永磁直流电动机也随着永磁
3、材料技术的发展而得到了性能的提高，依然在直流传动系统中被广泛应用，但直流传动系统已经处于无刷直流电动机大规模普及与应用的阶段。 现代交流传动系统已经由感应电动机为主发展为多机种，尤其是以永磁同步电动机的发展最为显著。一方面，由感应电动机构成的交流调速系统性能依然不断提高，变压变频 (VVVF）技术及矢量控制技术完全成熟。通过模仿直流电动机中转矩控制的思路，采用坐标变换，把 交流感应电动机的定子电流分解成励磁分量和转矩分量，并通过对磁通和转矩的独立控制、使感应电动机获得类似直流电动机的控制特性。近年来 又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，从而使交流调速控制有了突破性的发展，并出现了一系列用
4、于交流调速系统的高性价比的通用变频器。 另一方面，永磁同步电动机调速及高性能伺服技术发展迅速，应用功率范围不断扩大。永磁同步电动机（ Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)，又被称为正弦波无刷直流电动机系统，实际上为带有位置传感器的、由逆变器驱动的永 磁同步电动机系统。其反电势波形为正弦波，相应的绕组电流也为正弦波。关于永磁同步电动机的研究主要集中于电动机的新型结构形式、气隙磁场的设计、计算和绕组电流的控制。其中，绕组 电流的控制为大部分文献研究的焦点。 1982年， G.P.Fatt 从理论上指出了两种有效获得正弦绕组电流的方法，即静止坐标系下的 电
5、流控制方法，它包括电流调节型 SPWM 控制方法（ CRPWM）和电流滞环控制方法，指出了其应用范围，并加以实验验证。至今，这两种方法在永磁同步电动机系统中得到了最广泛的应用。 1987 年， P.Pillay 对方波无刷直流电动 机和正弦波无刷直流电动机系统进行了全面的对比，在总结正弦波无刷直流电动机各种研究成果的基础上，提出了基于旋转坐标系下的正弦波无刷直流电动机系统绕组电流控制方法： id、 iq 法。此后的研究虽然在控制手段上不断改进，但控制方法没有本质的突破。一般实现电流控制的手段有模拟方法、模拟数字混合方法、全数字方法等，并在逐步向全数字控制方向发展。 感应电动机和永磁同步电动机系
6、统相比较，无论是在效率、功率密度等各方面，永磁同步电动机系统均具有相当优势。因此，交流永磁同步电动机在交流传动系统中的应用范围会继续扩大。 综上所述， 高性能直流传动系统在向方波无刷直流电动机为主的方向发展，而方波无刷直流电动机在向电流正弦化的方向发展；同时，高性能交流传动系统在向交流永磁同步电动机系统为主的方向发展，而永磁同步电动机系统也在向无位置检测或位置检测简易化的方向发展。由于二者的电动机本体均为永磁同步电动机，且系统结构大致相同，因此交、直流之分越来越模糊，二者的发展方向相同，概念趋向一致。在电动机理论和其他相关技术发展的推动下，“无刷直流电动机”的概念已由最初特指具有电子换向的直流电动机发展到泛指一切具备有刷直流电动机外部特征的由驱动器驱动的永 磁同步电动机。无刷直流电动机或永磁同步电动机的发展亦促使电动机理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代控制理论及高性能材料的紧密结合。如今，无刷直流电动机或永磁同步电动机系统集特种电动机、变流机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成新一代的一体化电动机系统，体现着当今应用科学的最新成果，是机电一体化的高技术产物。 1.2 脉宽调制技术的发展 随着全控型功率电子器件的发展，脉冲调宽（ PWM）技术与开关功率电路成为主流技术，在功率应用中基本取代了线性功率放大电路，以减小功率器件导通
