无刷电机控制技术

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1、无刷电机控制技术的研究进展综述1前言随着科学技术和工业化的快速发展，工业自动化程度的日益加深，电机的应用领 域不断的扩大.电力电子技术、微机控制技术和控制理论的发展更加促进了电机调速 技术的发展。随着新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的 应用，控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积愈来 愈小，控制器的可靠性提高而成本日益降低，从而使得电机的应用不再局限于传统的 工业领域，而逐渐向商业，家用电器、声像设备、电动自行车、汽车、机器人、数控 机床、雷达和各种军用武器随动系统等领域拓展。1，152国内外发展概况电机的种类很多，其中，无刷直流电机以其优越的

2、性能成为国内外科研机构的重 点研究对象。早期国内外对直流无刷电机的研究主要致力于将更加先进的电力电子器件和材 料应用于直流无刷电动机以提高它的性能。在八十年代以后，随着磁性材料（尤其是 高性能的稀土永磁材料）、电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了直流 无刷电动机特性的同时，人们又把对直流无刷电动机研究的目光转移到电子换相、稀 土永磁材料以及智能控制三个方面，试图来抑制直流无刷电动机的转矩波动.除此之 外，随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化，使得许多较复杂的 控制技术得以实现。这些控制技术的实现又进一步推动了直流无刷电机在各个工业领 域更好地应用，为直流无刷电机的发展

3、打开了广阔的前景。23无刷电机控制3.1无刷直流电机无刷直流电机与传统直流电机相比，其结构上有较大不同，无刷直流电机将传统 直流电机定子上的永磁体转移到转子上，而将电枢绕组置于定子上，并采用电子换向 装置取代传统直流电机的机械式电刷换向器，使无刷直流电机在运行时无换向火花和 无线电干扰，长时使用无需更换电刷，电机使用寿命长。无刷直流电机紧凑的机械结 构，使其能够更容易地实现小型化.无刷直流电机相对于交流异步电机，具有高能量密度、高效率的特点，同时具有 较好的调速性能。由于定子无励磁电流分量，具有较高的效率.无刷直流电机由传统 直流电机衍生而来,其自身具有传统直流电机调速方便、性能优异的特点，通

4、过调压调速方式即可实现转速的平滑调节.13。2供电方式变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢电压需要有专门的可控直流电 源。常用的可控直流电源有以下三种：1）旋转变流机组2）静止式可控整流器3）PWM变换器3.2.1旋转变流机组图1为旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。由交流电动机（异步机 或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调 节G的励磁即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n,这样的调速系统简称 G-M系统。图1旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图设火色置机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要 旋转变

5、流机组，至少包含两台于调速电动机容量相当的旋转电机，还要一天励磁发电 机因此设备多，体积大，费用高,效率低，运行有噪声，维护不方便。网3。2.2静止式可控整流器采用闸流管的离子推动系统是最早应用静止式变流器装置供电的直流调速系统。 图2所示为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图。图中VT是晶闸管 可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压U来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压的刁,从而实现平滑调速。图2晶闸管一电动机调速系统（V-M系统）的原理图它与旋转变流机组相比,晶闸管整流器装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的 提高,而且在技术性能上也显示出较大的优越性，大大提高系统的动态稳

6、定性能。但它 也有缺点：首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统可逆运行造 成困难;另外一个问题是谐波与无功率造成的“电力公害”。贸3。2。3 PWM变换器图3是PWM变换器-直流电动机系统原理图。VT的控制极由脉宽可调的脉冲电 压序列气驱动，在一个开关周期内，当0WtV七 时，Ug为正，VT导通，电源电压通 过VT加到电动机电枢两端；七WtVT时，U&为负,VT关断，电枢失去电源，经VD 续流。这样，电动机两端得到的平均电压为 改变占空比p（OWpWI）即可调节电 动机转速。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉宽度调制的高频开关控制方 式，形成了脉宽调制变换器一直流电

7、动机调速系统，简称PWM调速系统，与VM系统 相比,PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）电路简单；2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；3）动态响应快,动态抗干扰能力强。4, 13, 14图3 PWM变换器一直流电动机系统3。3位置检测方法3.3。1有位置传感器检测位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，将转子磁钢磁极的 位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。目前在无刷直流电机中常用的位 置传感器有下述几种形式：（1）电磁式位置传感器（2）光电式位置传感器（3）霍尔位置传感器3。3.2无位置传感器检测在小型和轻载起动条件下，无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择。这

8、种检 测方法不是直接检测电机转子的位置，而是通过检测磁链、电流和电压等物理量来得 到转子位置.其中，最具代表性的检测方法当属反电动势过零检测法。成反电动势法（也称端电压反电动势法）是通过测量三相绕组的端电压与中性点电 压实现的。当某相端点电位与中性点电位相等时，则此刻该相反电动势过零，反电动 势过零后再延时30电角度即为触发功率开关管进行换向的时刻。6, 9：3。4速度控制技术随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化，使得许多较复杂的 控制技术得以实现.这些控制技术的实现又进一步推动了直流无刷电机在各个工业领 域更好地应用，为直流无刷电机的发展打开了广阔的前景。目前，应用到直流无刷

9、电机控制系统的控制技术主要有：1）PID控制；2）模糊控制；3）变结构控制；4）神经网络控制技。3.4。1 PID控制技术PID控制是一种技术最为成熟、应用最为广泛的控制算法。这种控制方式的最大 优点是结构简单，使用方便。该算法由于其简单实用而被广大工程技术人员所熟悉，其 形式如下：(3。1)U (t) = K e(t) + Lj e(t)dt + T 竺) p T 0d dti同样，在数字控制系统中，使用比较普遍的也是PID控制规律，此时数字PID调 节器的输出和输入之间的关系是：u(kT)= K e(kT) + T寸 e(jT) + ? Ie(kT) e(kT T)f在传统的PID控制方法

10、中，主要包含三个基本的环节：比例环节、积分环节、微 分环节。PID控制方法应用于直流无刷电机控制，其具有算法简单，工程实用性好等优点, 但是由于无刷直流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，而PID控制算 法本质上是一种线形控制方法，其鲁棒性较差，因此，进一步制约了高性能直流无刷 电机的控制。有非线性环节在建模时，通常都是略去系统高频动态性能，保留低频性 能，建立系统的降阶模型。利用系统降阶近似模型整定的PID控制参数，在实验室中 也许是最优的，但运用到实际系统中时，可能会出现误差。3。4。2模糊控制技术模糊控制方法是通过建立一定的模糊规则建立一定的模糊规则，利用模糊控制器 来实现无刷

11、直流电机的控制过程。它的主要任务是：先采集被控对象输出信号的精确 值，然后将该信号与给定值相比较得到误差信号e,把误差信号e的精确值模糊化变成 模糊量，从而得到误差e的模糊语言集合的一个子集E,此时E是一个模糊向量,最后， 用E和模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策.为了对被控对象实施精确 的控制，还必须把模糊量转换为精确量（反模糊化）u去控制执行机构采取相应的动作. 11模糊控制不需要建立分析对象的动态模型，并且在模糊规则设计得当的情况下， 模糊控制具有良好的鲁棒性.此外，模糊控制器设计比较简单，而且稳定性也较好。 模糊控制器用于电机调速，能提高系统的动态性能.但是，模糊控制应用于无

12、刷直流 电机的实际控制中,也存在着一定的问题，主要体现在众多的模糊变量以及隶属度函 数的选择需要丰富的操纵经验；在实际应用中，调试时间往往有限；操作环境的复杂 性，易变性，使得效果较好的专家经验知识难以得到，这些情况制约了模糊控制技术 在无刷直流电机中的应用。此外，模糊规则的复杂程度超过一定限度后，模糊控制器 的设计就变得难以掌握和非常繁琐；而且单纯的模糊控制缺乏自适应自学习能力，当 控制对象或控制目标超出一定范围后，其控制效果是不能够令人满意的。7, 103。4。3变结构控制技术主要应用于二阶和单输入高阶系统，并广泛应用在机器人控制、飞机和空间飞行 器等系统。上世纪70年代,开始研究状态空间

13、线性系统,变结构控制方法得到丰富，其 中带有滑动模态的变结构控制（滑模变结构控制/滑模控制）得到最广泛的研究,也是被 认为是最有发展前途的.滑模变结构控制中的滑动模态是指系统运动在某一子流上,迫使系统的状态轨迹 沿着设计好的滑模面运动到平衡点（期望点），系统一旦进入滑动模态，在一定条件下就 对外界干扰及参数扰动具有不变性，从而具有比鲁棒性更加优越的完全自适应性。3.4.4神经网络控制技技术神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度，模拟人脑神经系统的运作方式，使 机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。神经网络在解决高度非线性和严重不确 定性系统的控制方面具有巨大潜力，成为智能控制发展的重要方向之

14、一。神经网络控 制器目前主要是依靠数字计算机或微处理器的软件来实现网络的训练，这就限制了神 经网络控制器只能用于低速的控制系统。如果能够采用可编程硬件来实现神经网络控 制，将具有推理速度快、实时性好等优点。8, 124总结由于直流无刷电机的控制精度逐渐提高，对其的控制技术水平的要求也越来越 高。以前的电机驱动方式已经不能满足现今电机的控制要求，新型的正弦PWM驱动方 法以其方便，快捷，调节范围宽的特点实现无刷直流电机快速，便捷的调控。在有位 置传感器检测技术的基础上衍生出来的简单便捷无位置传感器检测技术，但无位置传 感器的无刷直流电机在启动方面仍存在着缺陷。随着电力电子技术、高性能材料的发 展

15、、高性能微处理的出现，使一些复杂的控制技术得以实现。相比传统的PID控制技 术，模糊控制、变结构控制技术和神经网络控制技术，是一种非线性控制技术，控制 精度高，鲁棒性强，但操作复杂，操作员需要丰富经验，当前的技术和工作人员根本不 能完全满足这些要求。而传统的PID控制设计方便简单,工程实用性强，是一种线性 控制技术，因此，传统PID更适合于一般的直流无刷电机的控制.在这个科技飞速发 展的时代，随着我国自动化的不断深入，现有的控制技术已经无法满足自动化的需求， 因此,急需一种方便，快捷，控制精度高的控制技术来对直流无刷电机进行控制.参考文献I 汪俊杰.新型无刷直流电机驱动系统研究D.南京：南京航

16、空航天大学，2008.陈小永.直流无刷电机控制技术研发D.山东:中国石油大学(华东)，2008.3 汪小锋.基于PWM的直流无刷电机控制系统】D.南京：南京理工大学，2008.4 陈伯时.电力拖动自动控制系统一运动控制系统】M.北京:机械工业出版社，2005.5 杨庆彧.无位置传感器无刷直流电机转矩脉动的研究D.重庆：重庆大学，2007.6 胡波，徐国卿,康劲松.无刷直流电机无位置传感器控制技术】J.电机与控制应用,2007,34(5) :2123.7 蔡鹏.基于自抗扰的无刷直流电机控制方法的研究及仿真D.青岛：中国海洋大学，2009.8 赵芝璞.基于FPGA无刷直流电机神经网络控制器设计D.

17、江苏：江南大学,2006.9 熊慧，李玉馄,尤一鸣.基于S12X的直流无刷电机反电势控制方法】J .电子技术应用， 2010,36(2)： 95-98.10 李勇，罗隆福，许加柱，李季.基于模糊控制的直流电机PWM调速系统J.大电机技术，2006,(1):66-68.II 罗文，广孔峰.基于模糊控制的直流无刷电机调速系统J.江苏电器，2007, (z1)： 3136.12 左旭坤，李国丽，姜卫东.基于神经网络的直流无刷电机控制系统J.电子产品世界，2006,(6) :5356.13 周文卫.直流PWM调速系统的研究J.电气技术，2009, (7)： 3739.14 周林，蒋建文，易强，罗眉.PWM控制器的控制方法J.重庆邮电学院学报，2001, 13(z1)： 110-113.15 欧立生，马小芳.直流无刷电动机在纺织机械中的应用J.微电机，2011，44(5)： 104-109.