永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)研究及應(yīng)用

吳高杰

摘 要 永磁無刷直流電機(jī)具有精度高、性能穩(wěn)定、便于控制等優(yōu)點(diǎn)，在精密儀器、機(jī)床、航空航天、汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文系統(tǒng)闡述了無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，分析了3種常用控制方法，最后對無刷直流電機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞 無刷直流電機(jī)；反電動勢法轉(zhuǎn)矩脈動控制；智能控制

中圖分類號 TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0205-02

隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，高性能的半導(dǎo)體元器件不斷問世，直接推動了電機(jī)的發(fā)展，如導(dǎo)磁材料磁性能不斷提升。同時，傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是角位置傳感器的性能、精度及穩(wěn)定性大幅度提高，有效提升了永磁直流無刷電機(jī)的控制精度。目前，永磁無刷直流電機(jī)具有效率高、耗能少的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛，價格逐漸降低，是國家政策支持的綠色環(huán)保的高新技術(shù)項目，符合當(dāng)今機(jī)電產(chǎn)品小型化、模塊化、智能化的要求，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 無刷電機(jī)及其控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

無刷電機(jī)及其控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電機(jī)本體、位置傳感器、逆變器3部分組成。

永磁無刷直流電機(jī)的主要部件有轉(zhuǎn)子和定子，定子是電機(jī)的靜止部分，是由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電驅(qū)繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成。轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體中轉(zhuǎn)動的部分，主要成分是硅鋼片，用來產(chǎn)生激磁。

永磁無刷直流電機(jī)的運(yùn)動在于電機(jī)中逆變器功率器件依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置變化產(chǎn)生不同的觸發(fā)變化，進(jìn)而實現(xiàn)電機(jī)控制。因此，依據(jù)準(zhǔn)確的位置反饋來進(jìn)行逆變器的切換是永磁無刷直流電機(jī)控制的關(guān)鍵。

最常用、最直接地檢測轉(zhuǎn)子位置的器件是角位置傳感器，高精度、高可靠性的傳感器影響著整個電機(jī)的性能。目前，最常用的電機(jī)反饋傳感器是Hall傳感器，Hall傳感器屬于磁敏式傳感器，其性能優(yōu)良、體積小、便于安裝、性價比較高，可以通過解調(diào)、電路控制等過程將傳感器的位置信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，為數(shù)字化控制及智能控制做準(zhǔn)備。

2 永磁無刷直流電機(jī)控制技術(shù)

2.1 反電動勢法控制

某些不需要精確反饋控制、產(chǎn)品空間有限的場合可以省去位置傳感器，此時不是采用開環(huán)控制，而是利用電機(jī)自身的反電動勢來采集反饋信號，進(jìn)行解調(diào)，進(jìn)而控制電機(jī)。目前，反電動勢法是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最多的一種無位置檢測方法。

反電動勢法是基于各項反電勢隨各個轉(zhuǎn)子改變的電機(jī)控制技術(shù)。該方法將檢測獲得的反電動勢過零點(diǎn)信號延遲電角度30°，得到6個離散的轉(zhuǎn)子位置信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，進(jìn)而實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制。反電動勢法的關(guān)鍵是判斷反電動勢過零點(diǎn)的位置，業(yè)內(nèi)學(xué)者提出了眾多檢測方法，如端電壓檢測法、反電動勢積分法、反電動勢三次諧波法等。

最簡單有效的方法是端電壓檢測法，通過測量不導(dǎo)通相的端電壓，與電機(jī)的繞組中點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，并對三相繞組進(jìn)行分壓阻容濾波，計算出不導(dǎo)通相反電動勢的過零點(diǎn)位置，再經(jīng)過延后一定時間進(jìn)行下一步換相，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。

2.2 轉(zhuǎn)矩脈動控制

因為永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷及換向器，只能在電機(jī)內(nèi)部換相，所以電機(jī)在運(yùn)行過程中必然產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的因素主要有2方面：1）機(jī)械齒槽結(jié)構(gòu)引起的轉(zhuǎn)矩脈動；2）電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動。

齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動可以采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極來實現(xiàn)，該方法簡單易行，但無法保證全部消除齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動。最直接的方法是使用無槽結(jié)構(gòu)電機(jī)，采用釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料有效抑制由齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動，此方法的缺點(diǎn)是成本較高。

電流換相引起轉(zhuǎn)矩脈動，是電機(jī)運(yùn)行過程中不可避免的，因為電機(jī)內(nèi)各項繞組不斷變化，繞組每經(jīng)過一個相點(diǎn)，繞組上的電流就會切換，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的脈動。抑制由電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動的方法有電流反饋法、滯環(huán)電流法、重疊換向法、脈寬調(diào)制斬波法等。

2.3 智能控制

傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)具有非線性、變參數(shù)、時滯性等缺點(diǎn)，不利于高性能、高精度電機(jī)的控制。因此，結(jié)合先進(jìn)的控制理論和方法進(jìn)行控制，可以有效解決上述問題。

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，人工智能算法的研究及應(yīng)用越來越廣泛，其中常用的人工智能算法包含人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊策略、遺傳算法、蟻群算法等，將永磁直流無刷電機(jī)的控制與人工智能算法結(jié)合，可以有效解決傳統(tǒng)控制方法的缺陷。人工智能算法對物理模型的要求較低，更適用于非線性問題，例如模糊控制理論就是基于人類基本活動的實踐經(jīng)驗設(shè)計開發(fā)的。隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，高性能、集成化、小型化的單片機(jī)與DSP的出現(xiàn)為實現(xiàn)永磁無刷直流電機(jī)的人工智能控制創(chuàng)造了條件。但是，人工智能算法本身較復(fù)雜，需要考慮各種復(fù)雜條件，不斷地進(jìn)行調(diào)試驗證，以保障電機(jī)的平穩(wěn)、精確的運(yùn)行。

3 永磁無刷直流電機(jī)的應(yīng)用

3.1 汽車行業(yè)中的應(yīng)用

汽車行業(yè)是工業(yè)產(chǎn)品的精華及先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的先驅(qū)，永磁無刷直流電機(jī)在其中的應(yīng)用無處不在，汽車上的自動控制空調(diào)、前后調(diào)節(jié)的電動座椅、自動車門、雨刷器、安全氣囊、方向盤上的助力電機(jī)等等。另外，純電動車的驅(qū)動電機(jī)也采用永磁直流無刷電機(jī)。

3.2 航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

永磁無刷直流電機(jī)在航空航天應(yīng)用十分廣泛，如飛機(jī)機(jī)殼噴漆的多自由度機(jī)械手，飛機(jī)航電系統(tǒng)中各類自動駕駛設(shè)備中的控制電機(jī)，各類陀螺儀表，載人航天的艙門控制等等。因為航空航天需要高精度的控制及高速動態(tài)響應(yīng)能力，所以此類電機(jī)采用閉環(huán)控制以及先進(jìn)的控制算法。此外，航空航天領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)的可靠性、壽命、三防性能要求較高。

3.3 家用電器中的應(yīng)用

無刷直流電機(jī)在家用電器領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，最典型的應(yīng)用就是變頻空調(diào)，通過控制空調(diào)縮機(jī)的頻率，實現(xiàn)快速制冷、制熱，再根據(jù)室內(nèi)溫度智能調(diào)節(jié)。為了降低空調(diào)的成本，簡化系統(tǒng)的配置，空調(diào)壓縮機(jī)中常采用無位置傳感器控制方式，采用合適的算法同樣可以達(dá)到伺服控制的目的，同時也減少了空調(diào)的體積。

4 結(jié)論

本文淺析了永磁直流無刷電機(jī)系統(tǒng)，介紹了電機(jī)本體、位置傳感器、逆變器的結(jié)構(gòu)；分析了，3種常見的電機(jī)控制方法，每一種控制方法在工程應(yīng)用中都較為常見，均有其優(yōu)缺點(diǎn)及繼續(xù)提升的地方，最后本文介紹了永磁直流無刷電機(jī)在汽車、航空航天、家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用。本文對研究者全面認(rèn)識直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)具有一定幫助，有利于后續(xù)深入研究。

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