無刷電機(jī)控制技術(shù) 文獻(xiàn)綜述

無刷電機(jī)控制技術(shù)的研究進(jìn)展綜述1前言隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化程度的日益加深，電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大。電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和控制理論的發(fā)展更加促進(jìn)了電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。隨著新的電力電子器件，高性能的數(shù)字集成電路以及先進(jìn)的控制理論的應(yīng)用，控制部件功能日益完善，所需的控制器件數(shù)目愈來愈少，控制器件的體積愈來愈小，控制器的可靠性提高而成本日益降低，從而使得電機(jī)的應(yīng)用不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，而逐漸向商業(yè)，家用電器、聲像設(shè)備、電動(dòng)自行車、汽車、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)和各種軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域拓展。[1,15]2國內(nèi)外發(fā)展概況電機(jī)的種類很多，其中，無刷直流電機(jī)以其優(yōu)越的性能成為國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究對(duì)象。早期國內(nèi)外對(duì)直流無刷電機(jī)的研究主要致力于將更加先進(jìn)的電力電子器件和材料應(yīng)用于直流無刷電動(dòng)機(jī)以提高它的性能。在八十年代以后，隨著磁性材料（尤其是高性能的稀土永磁材料）、電力電子器件和專用控制器的迅速發(fā)展，明顯改善了直流無刷電動(dòng)機(jī)特性的同時(shí)，人們又把對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)研究的目光轉(zhuǎn)移到電子換相、稀土永磁材料以及智能控制三個(gè)方面，試圖來抑制直流無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。除此之外，隨著電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化，使得許多較復(fù)雜的控制技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。這些控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)又進(jìn)一步推動(dòng)了直流無刷電機(jī)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域更好地應(yīng)用，為直流無刷電機(jī)的發(fā)展打開了廣闊的前景。⑵3無刷電機(jī)控制3.1無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)與傳統(tǒng)直流電機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)上有較大不同，無刷直流電機(jī)將傳統(tǒng)直流電機(jī)定子上的永磁體轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子上，而將電樞繞組置于定子上，并采用電子換向裝置取代傳統(tǒng)直流電機(jī)的機(jī)械式電刷換向器，使無刷直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)無換向火花和無線電干擾，長時(shí)使用無需更換電刷，電機(jī)使用壽命長。無刷直流電機(jī)緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能夠更容易地實(shí)現(xiàn)小型化。無刷直流電機(jī)相對(duì)于交流異步電機(jī)，具有高能量密度、高效率的特點(diǎn)，同時(shí)具有較好的調(diào)速性能。由于定子無勵(lì)磁電流分量，具有較高的效率。無刷直流電機(jī)由傳統(tǒng)直流電機(jī)衍生而來，其自身具有傳統(tǒng)直流電機(jī)調(diào)速方便、性能優(yōu)異的特點(diǎn)，通過調(diào)壓調(diào)速方式即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)。[1]3.2供電方式變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組2）靜止式可控整流器3）PWM變換器3.2.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由交流電動(dòng)機(jī)（異步機(jī)或同步機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)。圖1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖成大裝置機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代以前曾廣泛地使用著，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)于調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一天勵(lì)磁發(fā)電機(jī)因此設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。囹3.2.2靜止式可控整流器采用閘流管的離子推動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止式變流器裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。圖2所示為品閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）的原理圖。圖中VT是品閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓U來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓的Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。圖2晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的原理圖它與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相比，晶閘管整流器裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大的提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性，大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。但它也有缺點(diǎn)：首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)可逆運(yùn)行造成困難；另外一個(gè)問題是諧波與無功率造成的“電力公害”。[4]3.2.3PWM變換器圖3是PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理圖。VT的控制極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓序列Ug驅(qū)動(dòng)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0彳V七時(shí)，U忍為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；七忍tVT時(shí)，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。這樣，電動(dòng)機(jī)兩端得到的平均電壓為改變占空比p（0忍p^1）即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱PWM調(diào)速系統(tǒng)，與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1）電路簡單；2）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。[4,13,14]

6+t/so-VD圖3PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)6+t/so-3.3位置檢測方法3.3.1有位置傳感器檢測位置傳感器在無刷直流電機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。目前在無刷直流電機(jī)中常用的位置傳感器有下述幾種形式：電磁式位置傳感器光電式位置傳感器霍爾位置傳感器3.3.2無位置傳感器檢測在小型和輕載起動(dòng)條件下，無位置傳感器無刷直流電機(jī)成為理想的選擇。這種檢測方法不是直接檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，而是通過檢測磁鏈、電流和電壓等物理量來得到轉(zhuǎn)子位置。其中，最具代表性的檢測方法當(dāng)屬反電動(dòng)勢過零檢測法。⑸反電動(dòng)勢法(也稱端電壓反電動(dòng)勢法)是通過測量三相繞組的端電壓與中性點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)某相端點(diǎn)電位與中性點(diǎn)電位相等時(shí)，則此刻該相反電動(dòng)勢過零，反電動(dòng)勢過零后再延時(shí)30°電角度即為觸發(fā)功率開關(guān)管進(jìn)行換向的時(shí)刻。[6,9]

3.4速度控制技術(shù)隨著電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化，使得許多較復(fù)雜的控制技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。這些控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)又進(jìn)一步推動(dòng)了直流無刷電機(jī)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域更好地應(yīng)用，為直流無刷電機(jī)的發(fā)展打開了廣闊的前景。目前，應(yīng)用到直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)主要有：1）PID控制；2）模糊控制；3）變結(jié)構(gòu)控制；4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技。⑵3.4.1PID控制技術(shù)PID控制是一種技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制算法。這種控制方式的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。該算法由于其簡單實(shí)用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉，其形式如下：(3.1)U(t)=K[e(t)+Lj'e(t)dt+T岫)]pT0ddti(3.1)u(kT)=Ku(kT)=K<e(kT)+T丁e(jT)+事E)-e(kT-T)}1ij=0J(3.2)在傳統(tǒng)的PID控制方法中，主要包含三個(gè)基本的環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)。PID控制方法應(yīng)用于直流無刷電機(jī)控制，其具有算法簡單，工程實(shí)用性好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象，而PID控制算法本質(zhì)上是一種線形控制方法，其魯棒性較差，因此，進(jìn)一步制約了高性能直流無刷電機(jī)的控制。有非線性環(huán)節(jié)在建模時(shí)，通常都是略去系統(tǒng)高頻動(dòng)態(tài)性能，保留低頻性能，建立系統(tǒng)的降階模型。利用系統(tǒng)降階近似模型整定的PID控制參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中也許是最優(yōu)的，但運(yùn)用到實(shí)際系統(tǒng)中時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)誤差。［刀3.4.2模糊控制技術(shù)模糊控制方法是通過建立一定的模糊規(guī)則建立一定的模糊規(guī)則，利用模糊控制器來實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制過程。它的主要任務(wù)是：先采集被控對(duì)象輸出信號(hào)的精確值，然后將該信號(hào)與給定值相比較得到誤差信號(hào)e，把誤差信號(hào)e的精確值模糊化變成模糊量，從而得到誤差e的模糊語言集合的一個(gè)子集E，此時(shí)E是一個(gè)模糊向量，最后，用E和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策。為了對(duì)被控對(duì)象實(shí)施精確的控制，還必須把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量（反模糊化）u去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取相應(yīng)的動(dòng)作。凹模糊控制不需要建立分析對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型，并且在模糊規(guī)則設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下，模糊控制具有良好的魯棒性。此外，模糊控制器設(shè)計(jì)比較簡單，而且穩(wěn)定性也較好。模糊控制器用于電機(jī)調(diào)速，能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是，模糊控制應(yīng)用于無刷直流電機(jī)的實(shí)際控制中，也存在著一定的問題，主要體現(xiàn)在眾多的模糊變量以及隸屬度函數(shù)的選擇需要豐富的操縱經(jīng)驗(yàn)；在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)試時(shí)間往往有限；操作環(huán)境的復(fù)雜性，易變性，使得效果較好的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)難以得到，這些情況制約了模糊控制技術(shù)在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用。此外，模糊規(guī)則的復(fù)雜程度超過一定限度后，模糊控制器的設(shè)計(jì)就變得難以掌握和非常繁瑣；而且單純的模糊控制缺乏自適應(yīng)自學(xué)習(xí)能力，當(dāng)控制對(duì)象或控制目標(biāo)超出一定范圍后，其控制效果是不能夠令人滿意的。[7,10]3.4.3變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)主要應(yīng)用于二階和單輸入高階系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用在機(jī)器人控制、飛機(jī)和空間飛行器等系統(tǒng)。上世紀(jì)70年代，開始研究狀態(tài)空間線性系統(tǒng)，變結(jié)構(gòu)控制方法得到豐富，其中帶有滑動(dòng)模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制（滑模變結(jié)構(gòu)控制/滑模控制）得到最廣泛的研究，也是被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的。滑模變結(jié)構(gòu)控制中的滑動(dòng)模態(tài)是指系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在某一子流上，迫使系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡沿著設(shè)計(jì)好的滑模面運(yùn)動(dòng)到平衡點(diǎn)（期望點(diǎn)），系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)，在一定條件下就對(duì)外界干擾及參數(shù)擾動(dòng)具有不變性，從而具有比魯棒性更加優(yōu)越的完全自適應(yīng)性。⑵3.4.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本思想是從仿生學(xué)的角度，模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，使機(jī)器具有人腦那樣的感知、學(xué)習(xí)和推理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的控制方面具有巨大潛力，成為智能控制發(fā)展的重要方向之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器目前主要是依靠數(shù)字計(jì)算機(jī)或微處理器的軟件來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，這就限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器只能用于低速的控制系統(tǒng)。如果能夠采用可編程硬件來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，將具有推理速度快、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)?！?,12]4總結(jié)由于直流無刷電機(jī)的控制精度逐漸提高，對(duì)其的控制技術(shù)水平的要求也越來越高。以前的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)今電機(jī)的控制要求，新型的正弦PWM驅(qū)動(dòng)方法以其方便，快捷，調(diào)節(jié)范圍寬的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)快速，便捷的調(diào)控。在有位置傳感器檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生出來的簡單便捷無位置傳感器檢測技術(shù)，但無位置傳感器的無刷直流電機(jī)在啟動(dòng)方面仍存在著缺陷。隨著電力電子技術(shù)、高性能材料的發(fā)展、高性能微處理的出現(xiàn)，使一些復(fù)雜的控制技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)，模糊控制、變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，是一種非線性控制技術(shù)，控制精度高，魯棒性強(qiáng)，但操作復(fù)雜，操作員需要豐富經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前的技術(shù)和工作人員根本不能完全滿足這些要求。而傳統(tǒng)的PID控制設(shè)計(jì)方便簡單，工程實(shí)用性強(qiáng)，是一種線性控制技術(shù)，因此，傳統(tǒng)PID更適合于一般的直流無刷電機(jī)的控制。在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，隨著我國自動(dòng)化的不斷深入，現(xiàn)有的控制技術(shù)已經(jīng)無法滿足自動(dòng)化的需求，因此，急需一種方便，快捷，控制精度高的控制技術(shù)來對(duì)直流無刷電機(jī)進(jìn)行控制。參考文獻(xiàn)汪俊杰.新型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.⑵陳小永.直流無刷電機(jī)控制技術(shù)研發(fā)[D].山東：中國石油大學(xué)(華東)，2008.汪小鋒.基于PWM的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.楊慶彧.無位置傳感器無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.胡波，徐國卿，康勁松.無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007,34(5)：21-23.蔡鵬.基于自抗擾的無刷直流電機(jī)控制方法的研究及仿真[D].青島：中國海洋大學(xué)，2009.趙芝璞.基于FPGA無刷直流電機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)[D].江蘇：江南大學(xué)，2006.熊慧，李玉餛，尤一鳴.基于S12X的直流無刷電機(jī)反電勢控制方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(2)：95-98.李勇，羅隆福，許加柱，李季.基于模糊控制的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].大電機(jī)技術(shù)，2006，(1)：66-6