无刷电机控制技术 文献综述
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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, 15] 2 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打开了广阔的前景。[2] 3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，通过调压 2
调速方式即可实现转速的平滑调节。[1] 3.2 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 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。[4]
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eU来移动触发脉冲的相位，即可改 3
变整流电压的dU，从而实现平滑调速。 图2 晶闸管-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”。[4]
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gU驱动，在一个开关周期内，当0≤t＜ont时，gU为正，VT导通，电源电压
通过VT加到电动机电枢两端；ont≤t＜T时，gU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ρ（0≤ρ≤1）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-直流电动机调速系统，简称PWM调速系统，与V-M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] 4
图3 PWM变换器-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。[5]
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] 5
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。[2]
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：
])()(1)([0tdipdttdeTdtteTteKtU）（ （3.1）
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：
)()()()(0TkTekTeTTjTeTTkTeKkTudk
ji
p （3.2）
在传统的PID控制方法中，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。[7] 6
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, 10]
3.4.3 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。[2]
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
