| 无刷直流电动机的控制及应用 |
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引言
无换向器电动机是70年代迅速发展起来的一种新型调速电动机。它是一种用半导体开关器件控制的变频调速同步电动机；也或可认为是一种用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作用的直流电动机。半导体器件可以是晶体管、晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）等。为区别于一般的独立变频调速系统（其频率由电动机外部控制），人们又称这种调速系统为同步电动机的自控式变频调速系统。
无换向器电动机根据所采用的控制元件和控制方式的不同而有多种结构。一般低压、小容量的无换向器电动机多是晶体管电动机，小型晶体管电动机在商业上通常称为无刷直流电动机。而高压、大容量的无换向器电动机则多为晶闸管电动机。
根据所采用的控制方式不同可分为直流无换向器电动机和交流无换向器电动机。直流无换向器电动机采用交-直-交控制系统或直-交控制系统，通常把50Hz的交流电整流成直流电或直接用直流电，由半导体变流器转变成频率可调的交流电，供给同步电动机以实现变频调速。交流无换向器电动机采用交-交控制系统，它是利用半导体变流器直接把半导体直接把50Hz的交流电转变成为频率可调的交流电，供给同步电动机以实现调速。
无换向器电动机的特性和普通直流机十分相近，可在四个象限运行，效率和技术经济指标也相近。但它没有电刷和换向器，因而比直流电动机结构简单，维护方便，容易做到低转速大容量、高转速大容量，调速方便，不失步，因而适用范围广泛。在易燃、易爆、高气压等环境比较恶劣的场合，如水泥厂、化工厂、矿山、油田及潜艇上都能使用；也适于安装在人不可及的装备上，如原子能设备、高空飞行器及偏僻海岛等地方。
交-直-交高速大容量无换向器电动机多用于风机、水泵及压缩机类调速和大型同步电动机、蓄能电站发电-电动机的起动。
交-交电压型低速大容量无换向器电动机多用于大型轧钢机、矿井卷扬机，水泥磨机等设备的调速传动。
无刷直流电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸多优点。近年来，由于永磁材料性能提高、制造成本价格下降、电力电子技术发展及对电机性能要求等因素的影响，无刷直流电动机的应用领域迅速扩展。随着大规模集成电路的普及，各具特色的无刷直流电动机专用集成电路控制芯片纷纷涌现，将各种功能的电子控制电路集成在一片控制芯片中，既使控制电路体积大大减小，又减少了整个装置的调试工作量。随着电力电子工业的发展，无刷直流电动机的应用将更加普及。
1、无换向器电动机的基本工作原理
无换向器电动机的基本工作原理如下图1所示：
图1 无换向器电动机原理图
由上述原理图可见，无换向器电动机相当于有三个片的直流电动机，只不过换向是由晶闸管（或晶体管）来进行的。它是一个受控于位置检测器（PS）的自控式半导体变频器和同步电动机（MS）组成的调速系统。由于电动机定子电枢电流是直接由转子转速控制的，这样，电动机速度升高或降低时，位置检测器输出信号的频率也升高或降低，电枢电流频率及其旋转磁场速度随之升高或降低，始终能够保持与励磁磁场相对位置不变的关系，因此这种电机不会有失步的问题。这是自控式同步电动机的特点，所以无换向器电动机又称为频率自控的同步电动机。
下面主要研究无刷直流电动机的控制方式及其应用。
2、无刷直流电动机控制方法
2.1 无刷直流电动机的速度/位置控制
目前国内外学者对无刷直流电动机的研究大多集中在其速度和位置控制技术上。无刷直流电动机速度伺服系统的结构如图２所示，系统采用电流、速度双闭环控制，电流环采用传统的PI控制，速度环既可采用PI控制，也可根据运行条件选择合适的控制策略。无刷直流电动机位置伺服系统的结构如图3所示，系统采用速度、位置双闭环控制，速度环可采用速度伺服系统中的各种控制策略进行控制，为了提高系统的快速响应性，位置环常采用变结构控制。
图2 无刷直流电动机速度伺服系统结构图
图3 无刷直流电动机位置伺服系统结构图
2.2 无刷直流电动机的控制策略
受控制理论和控制器件的限制，无刷直流电动机很长时间内一直采用经典PID控制，该控制方法可使系统性能满足各种静、动态指标，但系统的鲁棒性不尽人意。面对日益复杂的控制对象，为进一步提高无刷直流电动机调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，智能控制方法受到更多关注。近年来电机控制专用数字信号处理器(DSP)又成为另一被广泛使用的控制方法，DSP实现的电机伺服系统可以只用一片DSP代替单片机和各种接口，且DSP芯片有快速的运算能力，可以实现更复杂、更智能化的算法；可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展；可以实现位置、速度和电流的全数字化控制。
(1) PID控制
PID控制具有控制结构简单，参数容易整定的优点，在工业领域应用最为广泛。在设计PID控制器时，分析比较PID参数Kp，Ki ，Kd对系统的影响，通过参数的调整使系统的暂态特性达到最优。在无刷直流电动机速度闭环控制方案中， PID控制器虽然容易使用，但易受干扰，采样精度和数字量上、下限的影响易产生积分饱和而失去调解作用。而采用非线性变速积分PID算法时，可将PID控制器输出限制在有效输出范围内，避免其超出执行机构动作范围而发生饱和。这种算法消除了一般PID控制器算法中的饱和现象，使电机调速稳定，并具有快速跟随性， 同时也使电机具有恒转矩调速特性。
(2) 智能控制
智能控制是控制理论发展的高级阶段，智能控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其他较复杂的问题。无刷直流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的研究对象，利用智能控制可以取得较满意的控制效果。无刷直流电动机中主要采用的模糊控制策略有：基于简单模糊控制器、模糊- PI复合控制器、模糊PID (PI)控制器、自适应、自组织、自学习模糊控制器和集成及智能模糊控制器的速度控制方法。模糊控制不依赖于被控对象精确的数学模型，对系统动态响应有较好的鲁棒性，但难以消除系统稳态误差，而PID控制方法可以很好地解决这一不足，若将两者结合起来则系统同时兼有两种方法的优点。在无刷直流电动机控制系统中，电流环采用经典PI调节，速度环采用模糊控制和PID 混合结构，将PID控制器分解为模糊PD控制器和传统的积分环节，既保留了经典PID控制器的特性，又增加了模糊PD控制器快速响应的特点，做到了响应快和静态无误差，完善了PID功能。传统的PID控制要想取得好的控制效果就必须调整好比例、积分、微分系数之间的关系，使它们既相互配合又相互制约。神经网络具有任意非线性表示能力，可以通过学习来实现具有最佳组合的P ID控制，针对神经网络控制器在大误差范围内电流过早退饱和，不利于响应快速性的缺点，加入模糊控制来改善性能，提高响应的快速性。在P ID调节的基础上结合模糊逻辑和神经网络，设计神经模糊控制器，其基本思路是：利用模糊控制的鲁棒性和非线性控制作用；对作为实现模糊规则的神经网络 (NN)的输入进行预处理，根据系统的运行状态，通过神经网络在线调节PID控制器的参数，从而达到性能指标39的最优化。图4所示为神经网络模糊PID 控制系统结构。
图4 神经网络模糊PID控制系统结构
在速度和电流双闭环控制系统中，为了提高系统的快速响应能力，由基于模糊自适应理论设计的控制器来代替PI速度调节器。模糊自适应控制器由模糊速度控制器和模糊辨识器两部分组成，模糊速度控制器用参数可调的模糊基函数表示，模糊辨识器根据辨识得到的估计输出与被控对象实际输出之差在线实时调整， 并同时预测被控对象的输出。基于神经网络控制和小波变换检测故障的无刷直流电动机系统，采用三层前馈式人工神经网络来实现无刷直流电动机电流、电压的双闭环控制，利用离线和在线训练结合方式对神经网络进行训练，通过在线学习能够在保证系统稳定性的同时，对扰动和参数变化进行有效的抑制补偿。利用离散小波变换的时域特性和连续小波变换检测信号边沿的原理进行无刷直流电动机运行状态和故障状态的检测，可以有效地提高控制系统的动静态性能、稳态精度和可靠性。
(3) 无传感器控制
从控制系统的成本、维护性、可靠性等方面考虑，无传感器的传动系统对提高系统的可靠性具有更重要的意义，成为近年的研究热点。无传感器控制技术的关键在于速度/位置的观测与估计。由于无刷直流电动机在任意时刻，定子的三相绕组只有两相绕组同时有励磁电流，而另外一相绕组的感应电动势幅值较小，杂波较多，因此更适于无传感器控制。由于取消了霍尔元件等位置传感器，保证此类电机的稳定运行成了关键问题。电机在不同的工作频率、启动及过流状态下需要满足一定的稳定运行条件， PLL锁相环以及PWM速度反馈网络也会影响电机工作的稳定性。无位置传感器无刷直流电动机的锁相稳速控制方法可以实现对电机的高精度稳速控制，既无需检测电机转子位置的传感器，也不用检测电机转速的光电码盘，而是由电机电枢绕组的反电动势经整形后直接作为转速反馈信号，系统一经锁定，电机的转速就跟随参考信号的频率变化，其稳速精度达到与晶体振荡器提供频率一样的稳定精度。基于三次谐波检测法的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，可以实现开环、转速负反馈以及电压负反馈加电流正反馈三种调速方法。开环方式适合于转速精度要求不高的场合，转速负反馈方式适合于机械特性要求比较硬、转速精度要求比较高的场合，而电压负反馈电流正反馈方式则应用于动态性能要求比较高的场合。由于位置传感器直流电压波纹的信号失真对无刷直流电动机的性能也有影响，因而使无位置传感器的研究显得更为重要。
(4) DSP控制器
在基于DSP的无刷直流电动机控制系统中，一片DSP就可代替单片机和各种接口，且由于DSP芯片的快速运算能力，可以实现更复杂、更智能化的算法；可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展；可以实现位置、速度和电流环的全数字化控制，可以方便地通过SC I接口的扩展能力与上位机进行通讯，组成多机系统结构。以TMS320LF2407为核心的永磁无刷直流电动机控制系统设计，包括PWM斩波电路结构及功率开关器件的选择，驱动电路，保护电路，及软件编程。利用TMS320LF2407的运动控制接口形成单片DSP控制的电机系统，使用霍尔元件检测转子磁极位置，形成电子换向逻辑，通过数字P I速度和电流控制器控制电机速度。实验证明使用DSP实现无刷直流电动机控制，不仅比传统的模拟电路成本低，而且结构简单，方便扩展。基于 TMS320LF2407DSP数字信号处理芯片、智能功率模块IPM的无位置传感器的无刷直流电动机调速系统，采用P I控制算法提高了系统的实时性和控制精度，可以实现无刷直流电动机的无级调速。
2.3 无刷直流电动机的制造材料
无刷直流电动机的电枢绕组放在定子上，转子采用永磁材料。永磁材料的使用，大大减小了无刷电动机的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。无刷电动机与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料经历了铝镍钴、铁氧体、钕铁硼(NdFeB)等几个阶段。钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。但随着永磁电机的发展，仍有磁路结构设计计算、驱动控制、不可逆退磁等几大问题需要研究和分析。永磁体磁化时的几何状态对无刷直流电动机的影响是很大的，选取以不同方式磁化的永磁体进行研究时，由于磁化方式不同，每块永磁体都产生了独特的磁域。另外永磁体磁化的几何结构对永磁体性能有极大的影响。无刷直流电动机在不同磁化状态下有不同的性能，例如矩形磁化状态下的转矩会引发低电流，而正弦磁化产生的磁化电流最小，可使无刷直流电动机具有最好的机械特性。在实际应用中如何减小电机的体积是迫切需要解决的问题，大量的分析比较实验证明可以通过使用永磁体或者改进绕组方法来达到这个目的。
3、无刷直流电动机的应用
无刷直流电动机是一种新型的直流电动机，与传统的直流电机相比，无刷直流电动机具有优越的性能，在许多领域得到了广泛应用。
① 在精密电子设备和器械中的应用
用来存放各种信息数据的计算机外存设备，其各种存储器的主轴电动机均采用高档精密无刷直流电动机，特别是用于硬盘驱动器的主轴电机，能悬浮于盘片上下两侧以高速驱动磁盘稳定旋转，这对无刷直流电动机零部件和装配精度提出了很高要求。无刷直流电动机还广泛应用于医疗器械、激光打印机、复印机、卫星太阳能帆板驱动、医疗监控设备等领域。
② 在家用电器中的应用
近年来的变频式空调机中使用了多台无极调速无刷直流电动机。无论是压缩机拖动，还是在风机、加湿机中，都逐步采用无刷直流电动机拖动方式，既提高机械可靠性，又降低成本。此外在热水器、吸尘器、洗衣机、电风扇、搅拌机中使用无刷直流电动机可实现多功能自动操作，提高家电产品的自动化程度和效率。
③ 在工业系统中的应用
许多工业系统中，往往需要能精确定位又要快速动作的执行机构。在这些系统中采用无刷直流电动机的伺服控制，不仅提高了生产效率，而且大大改善了产品质量，例如，在毛巾印花机中，采用两套带光学编码器的无刷直流电动机伺服控制系统，定位准确，印花清晰，生产效率大大提高。无刷直流电动机还广泛应用于其它领域，如航空工业、军事国防等等。现代控制理论的发展和应用促使许多新型交流伺服电机控制方法诞生，交流伺服电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，仅仅采用一般的控制方法，很难达到较高的性能要求。由于无刷直流电动机具有一系列的优点，应用领域宽广，更适合于高性能的交流伺服系统，因此对无刷直流电动机交流伺服系统控制策略及应用的研究具有重要的价值和意义。
4、总结
总之，相对于其它类型电动机，无刷直流电动机是一种新型电动机，有着更优越的性能。无刷直流电动机是机电一体化产品，是多学科技术相结合的产物。它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。本文总结了国内外直流无刷电动机各种控制技术，主要集中在传统PID控制算法、无位置传感器算法、智能控制策略和电机专用DSP控制器上，电机的控制技术是在不断进步，我们需要不断探索无刷直流电动机控制的新方法。 |
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