无刷直流电机研究进展与趋势分析*

2022-04-21荆建立朱永庆

九江学院学报(自然科学版) 2022年1期

荆建立朱永庆

(蚌埠学院电子与电气工程学院安徽蚌埠 233030)

1962年，TG威尔逊和PH特里克使用电子换向器取代直流电机的机械换向器，由此发明了无刷直流电机。作为电机家族中的重要新兴成员，无刷直流电机以能效高、可靠性高、体积小、转矩大和可控性好等显著优势，自1990年开始逐渐广泛应用于以空调、洗衣机和冰箱为中心的家用电器和以电动汽车为代表的交通工具，交流感应电机在家用电器和工业驱动领域中的主导地位受到挑战[1-2]。由于直流电机的换向器和电刷的显著缺陷，在航空航天、军事装备、医疗设备、计算机、工业自动化等领域，无刷直流电机也正逐步取代直流电机。随着应用的日益普及，无刷直流电机的研究热度也随之持续上升。

文献计量学是通过定量分析方法发现科学活动内在规律和特征的一门学科，随着计算机技术、可视化技术的迅猛发展及其广泛应用，文献计量学越来越多地用可视化图谱形象展示知识领域发展状况及其规律[3]。文章主要采用VOSviewer、CiteSpace和CRExplorer等软件对无刷直流电机领域的文献展开综合计量分析，其中VOSviewer在科学文本挖掘和可视化领域享有国际声誉[4]，CiteSpace具有强大引文分析功能[5]，CRExplorer通过勾勒参考文献时间谱，从而有效识别出领域内具有重要作用的经典文献。

Web of Science是基于互联网建立的动态的学术信息资源整合平台[6]，是最常被用于计量分析的国际数据源。其核心合集由7个数据库组成，其中SCIE(SCI expanded，科学引文索引网络版)收录了国际自然科学、工程技术领域最具影响力的9000余种重要期刊，所收录文献具有重要的参考和借鉴价值。

文章以SCIE为数据源，检索题名、作者关键词或数据库附加关键词中包含无刷直流电机全拼

((((Brush-less NEAR/1 DC)OR

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(drive* OR motor* OR machine*)))或简称

(bldcm or bldc or pmbldc or pmbldcm or pmbdcm)的文献，文献类型限定为ARTICLE和REVIEW，时间跨度限定为2011年至2020年，检索日期为2021年4月19日，共获得1016篇文献。在统计分析时，采用平均计数法处理国家地区、机构和引文频次指标，不论先后排列次序，均按照每个一次的计算方法。

文章有助于无刷直流电机领域的研究者获取有价值的科技情报，把握该领域的研究状况和研究热点，更好地规划研究活动的开展及进行。

1发文量分析

无刷直流电机自出现以来，相关研究始终处于蓬勃发展的上升期。美国最早开始研究，2000年以前发文量较多的国家主要有美国、韩国和日本等，研究内容主要为无刷直流电机的设计和性能分析，文献量较少，增幅也比较缓慢。2001-2010年间年度文献量增幅较快，开展研究的国家和地区增多，发文量较多的主要有韩国、美国和台湾地区等，研究内容主要为驱动系统设计、转矩脉动和无位置传感器控制。2011-2020年间年度文献量继续保持较快增幅，十年间基本翻了一番，从2011年74篇增加到2020年149篇，年均文献量100篇以上；该阶段主要研究内容为无位置传感器控制和转矩脉动抑制(特别是换相转矩脉动抑制)，研究广度有所扩大，深度持续推进，后文将会对此进行重点详细分析,详见图1。

图1 年度文献量统计

2研究主体分析

从国家地区来看，共有60余个国家地区参与了无刷直流电机的研究，其中发文量10篇及以上的国家地区有20个，名称和合作网络如图2所示，节点大小表示出现频次的高低，连线的粗细表示共现强度的大小，有紫色外圈的节点为高中介中心性的节点，在网络中具有重要的枢纽和桥梁作用。从文献量来看，节点较大发文量前5位的国家地区分别是中国(286篇)、印度(167篇)、韩国(164篇)、伊朗(69篇)和美国(54篇)，其中中国和印度文献量自2015年以来增长明显，一跃成为发文量最多的两个国家，尤其是印度，由2019年的18篇突发性增加到2020年的45篇，韩国、伊朗和美国发文量虽略有波动，但产出量比较平稳。从合作网络来看，总连线强度较低，说明高发文量国家地区间的合作关系较为松散，大多数独立开展研究；中国中介中心性较高，与8个国家地区存在合作关系，但合作次数较少，关系偏弱，相对而言与英国、美国合作次数稍多；美国中介中心性最高，紫色光环区域较大，国际合作能力较强。

图2 国家地区合作网络

从研究机构来看，共有800余家机构对无刷直流电机进行了研究，其中发文量为1～2篇的机构有660余家，可以视为该项研究的外围机构，发文量5篇及以上的机构有63家，成为该项研究的高产机构，这些机构以高校为主，还有三星公司和LG电子2家企业。从文献量来看，前五名高产机构分别是：北京航空航天大学(65篇)、Hanyang University(韩国汉阳大学，47篇)、Indian Institute of Technology System (IIT System)(印度理工学院，47篇)、Indian Institute of Technology(IIT)-Delhi(印度理工学院德里分校，36篇)和天津大学(26篇)。国内其他发文量较高的机构还有：南京航空航天大学、天津工业大学、哈尔滨工业大学、浙江大学和华中科技大学。

3期刊分析

202种期刊发表过该项研究的文献，从出版国来看，来自32个国家地区，其中美国期刊64种，文献量478篇；英国期刊39种，文献量190篇；瑞士12种，文献量60篇；荷兰12种，文献量30篇；中国7种，文献量12篇；印度3种，文献量9篇；韩国6种，文献量49篇。由此可知，载文期刊主要由欧美国家出版，多数研究成果也在欧美期刊上发表。

文献呈现出分布分散与相对集中并存的趋势，一方面刊种域分布的比较宽，另一方面多数文献又相对集中在少量的核心区期刊中。发文量1～2篇期刊有127种，种数占62.87%，文献仅占15.45%；发文量10篇及以上的期刊有23种，种数仅占11.39%，文献量却占61.81%，成为该项研究的高载文量核心区期刊。运用VOSviewer对高载文量期刊进行引证关系分析，结果如图3所示，节点大小与颜色分别表示文献量的多寡和平均被引频次高低，连线的粗细表示引证关系的强弱。这些期刊之间存在较为频繁相互引证关系，知识流动强度较大。文献量最多的前五种刊物处于网络中的中心位置，其基本情况如下：IEEE Transactions on Magnetics(87篇)，文献平均被引频次为19，前期发文量较多，但近四年来发文量持续降低；IEEE Transactions on Industrial Electronics(68篇)，文献平均被引频次为28；IEEE Transactions on Power Electronics(68篇)，文献平均被引频次为26； IEEE Transactions on Industry Applications(49篇)，文献平均被引频次为21；IET Electric Power Applications(60篇)，文献平均被引频次为10，近三年发文量明显增加。通过期刊共被引分析发现，前四种期刊在本数据集中被引强度也最高，占全部引文的36.86%，为该项研究中最重要的知识输出性期刊。

图3 期刊引证网络

4主要研究内容及趋势分析

4.1前期经典文献分析

学者通常通过借鉴前人的研究成果来探索和推进现有研究，经典文献是某一领域的广大学者在研究过程中反复引用的科学文献。该数据集全部引文的时间横跨1839-2021年，其中2011年之前引文主要分布在1980-2010年间。使用CRExplorer软件对数据集中的1980-2010年间的引文进行标准引文出版年光谱分析，结果如图4所示，X轴表示引文的出版年份，Y轴表示某一年份引证累积总量，红色曲线为参考文献的原始被引频次分布，蓝色曲线是依据原始被引频次按照五年平均中值所计算的偏差曲线，峰值主要是由该年份发表的被引频次较高的经典文献引起的。CRExplorer软件的作者之一Werner Marx指出，在进行标准引文出版年光谱分析时，只需对峰值点上被引用频次最高的单篇文献进行内容解析，便可获知对该领域发展起重要作用的文献信息[7-8]。由图4可知，峰值年份主要有1985年、1989年、1994年、1996年、2000年、2006年和2010年。这些年份出现经典文献一直拥有较高的被引频次，是该领域发展进步的重要知识基础和推动力。

图4 引文出版年光谱(1980-2010)

1985年IIZUKA K发表的《Microcomputer control for sensorless brushless motor》和《2010年Damodharan P》发表的《Sensorless brushless DC motor drive based on the zero-crossing detection of back electromotive force (EMF) from the line voltage difference》是无位置传感器控制领域的奠基性和关键性文献[9-11]，前者提出了反电动势端电压检测法，后者提出了反电动势过零点线电压检测法。1989年PILLAY P发表的《Modeling，simulation，and analysis of permanent-magnet motor drives，Part Ⅱ： the brushless DC motor drive》是无刷直流电机转矩脉动领域的关键性文献[12-13]，文章分析了无刷直流电机梯形反电动势波形的特点，建立了无刷直流电机的数学模型，研究了使用滞环电流控制和脉宽调制电流控制时的无刷直流电机的调速性能。2000年Park SJ发表的《A new approach for minimum torque ripple maximum efficiency control of BLDC motor》、2006年Kim DK发表的《Commutation torque ripple reduction in a position sensorless brushless DC motor drive》和2006年Nam KY发表的《Reducing torque ripple of brushless DC motor by varying input voltage》是转矩脉动抑制领域的关键性文献。Park SJ的文章利用坐标变换根据反电动势波形对电流波形进行优化以抑制转矩脉动；Kim DK的文章通过保持换相期间的非换相相电压稳定以抑制换相转矩脉动，通过相电压检测来确定换相时间；Nam KY的文章通过改变直流输入电压来保持非换相相电流稳定以抑制换相转矩脉动。1996年Jahns TM发表的《Pulsating torque minimization techniques for permanent magnet AC motor drives-a review》是连接换相转矩脉动抑制领域与齿槽转矩领域的重要文献，文章从电机设计和控制方法两个方面对永磁电机转矩脉动抑制进行了综述。1994年Hendershot J R出版了专著《Design of brushless permanent-magnet motors》，详细介绍了无刷直流电机的设计、性能和控制，是无刷直流电机智能控制领域的重要基础性图书文献。

4.2研究内容及趋势分析

随着研究不断深入发展，研究领域内文献的被引和施引关系会越来越交叉化、复杂化，进而形成复杂的引文网络。共被引分析概念和方法的提出，成为引文网络分析提供了重要的研究手段。数据集中LCS(本地被引频次，指在所采集数据中的被引次数)在10次及以上的文献共有236篇，这些文献被频繁引证，可以视为本领域研究的经典文献和热点文献，运用CiteSpace构建这236篇文献的共被引网络，以探究本领域的主要知识结构和研究内容，利用谱聚类算法对网络进行自动聚类，结果如图5所示，节点的大小、位置、颜色、突现度、中心度、中介中心度等标识了其在网络中的地位，连线粗细体现了共被引强度的高低。

图5 文献共被引网络聚类

5 文献共被引网络

由图5可知，近十年无刷直流电机领域的文献主要形成了六个主题聚类。

5.1聚类群组标签为无位置传感器控制。无位置传感器技术是利用电压、电流等信息间接检测转子位置信息的技术，具有系统可靠性高和成本低廉的优势。该研究主题的文献量最多，突现强度高，是近年来主要的研究热点和研究前沿[14-15]。

无刷直流电机需要根据转子位置信息实现换相，传统无刷直流电机需要使用转子位置传感器直接检测转子位置信息。但是安装转子位置传感器存在以下缺点：系统可靠性低、占用空间、易引入电磁干扰和安装精度难以保证。鉴于上述缺点，无位置传感器技术日益受到关注，成为第一大研究热点。无位置传感器技术主要包括以下方法：反电动势过零检测法、反电动势积分法、反电动势三次谐波检测法、续流二极管法、电感法(磁链法)、位置函数法和观测器法[16-20]。

2014年Tae-Won Chun发表的《Sensorless control of BLDC motor drive for an automotive fuel pump using a hysteresis comparator》一文LCS较高，该文提出了一种基于反电动势过零检测原理的无刷直流电机无位置传感器控制方法，利用滞环比较器来补偿低通滤波器引起的相位滞后，同时防止多级输出变换在终端电压引起的噪声。反电动势检测法是根据反电动势过零点经过计算确定换相位置，具有实现容易、简单可靠的优点，是目前应用最为广泛的方法。2017年李海涛发表的《Self-correction of commutation point for high-speed sensorless BLDC motor with low inductance and nonideal back EMF》一文突现度最高，该文基于反电动势过零检测原理，根据非励磁相在换相区间的电压差，利用无模型自适应控制技术对换相时刻进行自校正，提出了一种应用于小电感和非理想电动势的高速无刷直流电机无位置传感器技术。2015年崔臣君发表的《Sensorless drive for high speed brushless dc motor based on the virtual neutral voltage》一文也较为重要，该文提出了一种基于虚拟中性点电压的高速无刷直流电机的无位置传感器技术，利用超低截止频率的低通滤波器来处理不清晰的虚拟电压信号以获取位置信息。

5.2聚类群组标签为换相转矩脉动抑制。无刷直流电机由于在调速性能和功率密度方面具有优势而得到广泛的应用，但是转矩脉动特别是换相转矩脉动较为突出的问题限制了其在高性能领域的应用，因此换相转矩脉动抑制是近年来无刷直流电机领域第二关注点。

换相转矩脉动是由于非换相相电流的脉动引起的，抑制换相转矩脉动的基本思路是保持非换相相电流恒定。控制策略主要包括：拓扑结构、直接转矩控制、重叠换相法、脉宽调制优化、电流优化、模型预测控制和矢量控制[21-24]。拓扑结构是在逆变器前增加一级直流电压变换电路，通过调节直流母线电压，控制开通相和关断相的电流变化率相等，达到转矩稳定的效果。直接转矩控制是以瞬时转矩为控制量，通过电压矢量的选择直接控制转矩。矢量控制是利用坐标变换的方法实现转矩的稳定控制。模型预测控制是利用当前偏差、过去偏差和预测偏差，以反馈校正和滚动优化确定当前的最优控制策略。

2012年房建成发表的《Torque ripple reduction in BLDC torque motor withnonideal back EMF》一文LCS最高，该文采用PWM_ON_PWM调制模式消除非导通相中二极管的电流以降低传导区的转矩脉动，通过调节PWM的占空比和重叠换相法来降低换相转矩脉动。2016年李新旻发表的《Commutation torque ripple reduction strategy of Z-source inverter fed brushless DC motor》一文突显度最高，该文提出了一种基于 Z 源变换器的无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法，在三相桥臂功率电路前级增加具有升降压功能的Z源变换器，换相阶段Z 源变换器调节直流母线电压，使无刷直流电机开通相电流上升率等于关断相电流下降率，从而抑制换相转矩脉动。2011年Salih Baris Ozturk发表的《Direct torque and indirect flux control of brushless DC Motor》一文Sigma值较高，该文将直接转矩控制方法应用于无刷直流电机以抑制转矩脉动，同时对无位置传感器控制也进行了研究。2020年夏鲲发表的《Model predictive control method of torque ripple reduction for BLDC motor》应用模型预测控制方法有效抑制了无刷直流电机转矩脉动。

5.3聚类群组标签为速度控制。文献内容是无刷直流电机的控制算法，是近年来第三关注点。该聚类重要的文献有2015年K. Premkumar发表的《Speed control of brushless dc motor using bat algorithm optimized adaptive neuro-fuzzy inference system》和2017年Kamaraj Premkumar发表的《Antlion algorithm optimized fuzzy PID supervised on-line recurrent fuzzy neural network based controller for brushless DC motor》。前者提出了一种基于蝙蝠算法优化的在线自适应神经模糊推理系统对无刷直流电机进行速度控制，后者提出了一种基于蚁群算法优化的模糊神经网络对无刷直流电机进行速度控制。模糊控制和神经网络控制是新兴的人工智能控制方法中成功应用的代表性方法，与传统控制方法的不同是降低了对被控对象数学模型的高度依赖。模糊控制是根据经验和知识来构造复杂对象的模糊关系和模糊规则，根据模糊关系、模糊规则和被控对象输出误差进行模糊推理确定控制量。神经网络是从结构和功能对人脑神经系统的模拟，将控制关系和控制规律隐形地储存于网络，具有很强的非线性映射能力、学习能力和自适应能力。由于模糊控制和神经网络非凡的非线性处理能力和智能特性，已被应用于无刷直流电机的速度控制、转矩控制和无位置传感器控制[25-26]。

5.4聚类群组标签为齿槽转矩(cogging torque)。齿槽转矩是定子齿槽和永磁体相互作用产生的磁阻性转矩，会引起附加的转矩脉动[27]。本聚类是前期热点，目前研究热度处于下降趋势。较为重要的文献有2011年Jin Hur发表的《Vibration reduction of IPM-Type BLDC motor using negative third harmonic elimination method of air-gap flux density》和2012年K. Abbaszadeh发表的《Slot opening optimization of surface mounted permanent magnet motor for cogging torque reduction》。前者通过设计转子形状来消除非理想径向磁通分布形成的谐波，从而减少齿槽转矩；后者使用斜槽法减小齿槽转矩，采用表面法、遗传算法和粒子群算法对开槽形状进行优化。

5.5聚类群组标签为功率因数校正(power factor correction)。该聚类的主要研究内容是在逆变器前增加直流变换器，实现无刷直流电机调速系统的功率因数校正和直流母线调压[28-29]。该聚类也是前期热点，目前研究热度处于下降趋势。重要的文献有2014年Vashist Bist发表的《An adjustable speed PFC bridgeless buck-boost converter fed BLDC motor drive》和2012年Sanjeev Singh发表的《A voltage controlled PFC cuk converter based PMBLDCM drive for air-conditioners》，两者分别通过无桥式buck-boost直流变换器和cuk直流变换器来实现功率因数校正和直流母线调压。

5.6聚类群组标签为四开关逆变器(four switch inverter)。该聚类是为了降低系统成本，简化拓扑结构，使用四个电力电子器件组成功率逆变器为无刷直流电机供电[30]。该聚类研究人数少，目前研究热度处于下降趋势。重要的文献有2014年Mourad Masmoudi发表的《DTC of B4-inverter fed BLDC motor drives with reduced torque ripple during sector to sector commutations》和2013年夏长亮发表的《Three effective vectors based current control scheme for four switch three phase trapezoidal brushless DC motor》。前者对四开关逆变器供电的无刷直流电机的直接转矩控制进行了研究，后者为四开关逆变器供电的无刷直流电机提出了一种有效相量电流控制方法。

从以上分析可以看出，无位置传感器控制和换相转矩脉动抑制为无刷直流电机领域的主流研究热点。无刷直流电机控制的实现，需要在不同转子位置提供合适的电流从而产生所需转矩。因此这两大问题对无刷直流电机的应用具有重要影响，其研究尚处于上升阶段，仍然会是今后研究的热点和主流。无位置传感器控制中反电动势法应用最为广泛，位置函数法是研究前沿，起动是其研究难点。矢量控制和直接转矩控制是换相转矩脉动抑制的新思路和研究前沿，具有研究潜力。齿槽转矩、功率因数校正和四开关逆变器三个研究主题的热度处于下降趋势。速度控制研究主题中智能控制处于上升趋势，以模糊控制和神经网络控制表现最为突出。