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无刷直流电机控制技术进展综述赵聪S201302256（北京工业大学电控学院，北京100124）摘要：无刷直流电机具有控制简单、运行效率高、功率密度大等优点，应用越来越广泛。本文主要对直流无刷电动机进行理论分析，并基于电机模型讨论了目前主要使用的几种控制方法，最后阐述了当前无刷直流电机的研究热点。关键字：无刷直流电机；控制技术；智能控制ThereviewofbrushlessdcmotorcontroltechnologyprogressZHAOCong(Collegeofelectriccontrol,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Duetotheadvantageofsimpledriven,highefficiency,andhighpowerdensity，brushlessDCmotorisusedmoreandmorewidely.Thispaperanalysesthetheoryofbrushlessdcmotor,thenbasedonmotormodeltodiscussesthecurrentmainuseofseveralcontrolmethods,finallyexpoundsthecurrentresearchhotspotsofbrushlessdcmotor.Keywords:brushlessdcmotor；controltechnology；intelligentcontrol引言直流无刷电动机最本质的特征就是没有机械换向器和电刷所构成的在运动中机械接触式换流机构，而代之以永磁转子刺激位置传感器——电子逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子换向器，实现了直流电动机由直流电源供电逆变成电动机绕组内部的交变电流，从而实现几点能量转换，把电能变成机械能。随着新型大功率器件的发展、永磁材料性能的改善、价格的降低，直流无刷电动机在各大领域中都得到广泛的应用，其控制技术的研究也因此成为当今社会一大研究热点。1.BLDCM基本结构和工作原理1.1基本结构无刷直流电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机电刷起换相作用，使主磁场和电枢磁场的方向在电机运行过程中始终保持互相垂直，从而产生最大转矩，驱动电机不停运转。无刷直流电机为了实现无机械接触换相，取消了电刷，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧，成为“倒装式直流电机”结构。为了实现对电机转速和转动方向的控制，无刷直流电机必须具有由转子位置传感器、控制电路及功率逆变桥共同构成的换相装置。其原理框图如图1.1所示。图1.1无刷直流电动机原理框图与其他类型电机相比，无刷直流电机采用方波励磁形式，提高了永磁材料的利用率，减小了电机体积，增大了电机出力，具有高效率、高可靠性的特点。因此，无刷直流电机在提高几点产品质量、延长其使用寿命、节能降耗等方面具有重要意义[12]。1.2工作原理由于无刷直流电动机没有电刷和换向器,它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩,就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点,就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。一般采用位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同,无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上,而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分,转动部分和电动机本体中转子同轴连接(转动部分通常由电机转子代替),固定部分与定子相连。图1.2无刷直流电机原理示意图如图1.2所示,在电动机装配过程中,首先调整好位置传感器的三个信号元件(a、b、c)与电机定子三相绕组(AX,BY,CZ)之间的相对位置,使得转子磁场转到定子某相绕组下时,该相绕组才导通,以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图中,当电动机转子N极位于A(a)处,则传感器a元件感应出信号,使功率晶体管V1导通,A相绕组中便有电流通过,设其方向为A(流入)、X(流出),便产生水平向左的定子磁场,与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩,驱动转子逆时针旋转;当N极旋转至B(b)处,b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断,B相绕组通过电流,同样产生逆时针方向的电磁转矩,当磁极旋转至C(c)处,其动作过程与前两处相同。如此反复循环,.电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120°电角度,因此三相绕组轮流通电时间也因为每相120°。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的,所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应,在电机安装时应加以注意[2]。2.功率驱动方式根据直流无刷电机定子绕组与换相开关之间联结方式的不同以及换相开关结构的不同，可以把对直流无刷电机的控制分为两类：一类是半桥型控制结构，另一类是全桥型控制结构。全桥式又分为两两导通方式和三三导通方式。除这两种常见功率驱动方式外，在有些无刷直流电机应用场合，为了实现较好的控制性能，又要求系统成本低、安装尺寸小等，也存在使用C-Dump式驱动电路、H桥式、四开关等驱动电路，详见[12]和[9]。3.无刷直流电机控制技术发展3.1脉冲宽度调制技术3.1.1PWM技术原理由于全控性电力半导体器件的出现，不仅使得你变电路的结构大为简化，而且在控制策略上与晶闸管类的半控型器件相比，也有着根本的不同，由原来的相位控制技术改变为脉冲宽度控制技术，简称为PWM技术。采用PWM方式构成的逆变器，其输入为固定不变的直流电压，可以通过PWM技术在同一逆变器中既实现调压又实现调频。对应系统应用见[2]。直流无刷电机在三相六状态导通方式下，有多种斩波形式，根据每个导通状态PWM作用管子数目的不同，把PWM调制方式分成两大类，一类是“双斩”方式，通常也称作H_PWM-L_PWM控制方式，每个导通状态控制器上、下桥臂的功率管全部进行PWM调制；另一类是“单斩”方式，在三相六状态的任意一个状态区间内只对上桥臂或者是只对下桥臂的一个功率管进行PWM斩波控制。不同类型的斩波方式对系统有不同的影响，具体细节参照[7]和[9]。3.1.2正弦波脉宽调制工程实际用的很多是正弦PWM法，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应局部波形下的面积。SPWM方式的控制方法可分为多种。从实现的途径可分为硬件电路与软件编程两种类型；而从工作原理上则可按调制脉冲的极性关系和控制波与载波间的频率关系来分类：按调制脉冲极性关系可分为单极性SPWM和双极性SPWM。由于直流无刷电动机控制策略一般使用的是方形波，所以一般不使用SPWM技术，在永磁同步电机及异步电机控制中常使用SPWM技术。3.2直流无刷电机直接转矩控制目前的无刷电机控制策略多是通过控制电流的方法间接控制转矩,属于转矩的开环控制,转矩响应慢且转矩脉动大。直接转矩控制(DTC)是一种转矩闭环控制方法。它以电机的瞬时转矩为控制对象,将转矩脉动视为可测干扰,根据转矩误差,通过转矩控制器实现对瞬时转矩的直接控制,具有转矩控制的高动态性。若能采取正确合适的直接转矩控制策略,在保留其高动态性的基础上,还能有效抑制转矩脉动。由电机统一理论得,电机电磁转矩可表示为：（3-1）式中:km,为转矩系数;|s|为定子磁链空间矢量幅值;|r|为转子磁链空间矢量幅值;θ为定转子磁链之间的夹角,即磁通角。由此可知,转矩的大小与定子磁链幅值、转子磁链幅值和磁通角成正比。无刷直流电机的转子磁链幅值由永磁体产生,其大小近似恒定。如果保持定子磁链幅值恒定,只要调节磁通角大小,便能调节电磁转矩大小。无刷直流电机直接转矩控制的基本思想就是使定子磁链沿六边形或近似圆形轨迹运行,通过控制定子磁链平均旋转速度,以调节磁通角大小,进而控制电磁转矩。具体实现过程见[6].直接转矩控制具有以下几个特点:1.不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型,也省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算.2.基于定子磁链定向,磁链观察简单,且不易受电机参数变化的影响.定子磁链计算公式中包含的电机参数只有一项:定子电阻.同时这个参数容易得到.矢量控制技术是基于转子磁链定向的,转子磁链的计算需要知道电机转子绕组的电阻及电感,而获取这两个参数值较为困难.因此,直接转矩控制相比矢量控制技术,控制效果受电机参数的影响要小的多.3.使用空间矢量的概念,来分析电机模型、控制电机参数,控制结构简单.直接转矩控制的基本思想是采用空间电压矢量分析的方法,在定子坐标系上计算磁链、转矩,根据磁链、转矩误差,通过直接控制逆变器的开关状态来实现对转矩的控制。4.以瞬时转矩为控制对象,是一种转矩的直接控制方法。它不在于获得理想的电流波形,或是电压波形,也不过分追求磁链的圆形轨迹,它强调的是转矩控制效果。因此它可以采用离散的电压状态或六边形磁链轨迹等概念。直接转矩控制技术广泛使用在各类电机控制中，其控制思想简单，易实现，与矢量控制方法一样，是一种高性能的电机控制方法。但是直接转矩控制在性能上仍有一定缺陷，由于直接转矩控制使用的是bang-bang控制，原理上会存在不可避免的脉动，并且在低速范围调速中误差较大。3.3直流无刷电机的智能控制智能控制是结合自动控制与人工智能概念而产生的一种控制方式，通常泛指以模糊逻辑、神经网络和遗传算法等智能方法为基础的控制。基于专家知识库的模糊逻辑控制系统所需计算数据小，但对于新的规则缺乏足够处理能力。而基于神经网络的电机控制系统则相反，它对于系统结构的变化和扰动有很强的解决能力，但控制系统需具有足够的计算能力和数据存储空间。遗传算法、人工免疫算法等则是按照模拟人类或生物界进化以及人工免疫系统建立的，它们可从优化的角度对控制器参数进行在线或离线优化，从而达到系统的良好控制，其运算所需时间与空间一般也比较大[12]。3.3.1模糊控制模糊控制是在美国加州大学扎德(LA.Zadeh)教授创立的模糊集合理论的基础上发展起来的。模糊控制作为智能控制的一种,与传统的自动控制相比,只是在控制方法上采用了模糊数学与模糊逻辑推理理论,但它所进行的依然是确定性工作。它不但能实现控制,还能够模拟人的思维方法,对一些无法构造数学模型的被控过程进行有效的控制。与传统的控制技术相比较,模糊控制具有以下的特点[8]：1、模糊控制器的设计不依赖于被控对象的精确数学模型;2、模糊控制易于被操作人员接受;3、适应性好,非线性控制能力强;4、鲁棒性较好,对参数变化不灵敏。模糊控制结构图如下图所示：图3.1模糊控制器的结构图1.模糊化前面提到,模糊化就是把输入的精确的被控制量变成模糊量的过程。具体步骤如下:(1)首先是预处理使输入量能够被模糊控制器识别;(2)将预处理后的输入量进行尺度变换到论域;(3)将尺度变换后的输入量进行模糊处理,把精确的被控制量变成模糊量,表示为对应的模糊集合;2.知识库知识库由模糊控制规则与数据库组成,它拥有要控制的目标与对应领域里的:(1)模糊空间分级数,尺度变换因子和语言变量的隶属度函数是放在数据库里的;(2)用模糊语言变量表示的根据控制专家的知识与经验制定的控制规则放在规则库里;3.模糊推理作为模糊控制的核心,模糊推理可以根据模糊逻辑中的推理规则与蕴含关系模拟出基于模糊概念的人脑推理能力。4.清晰化清晰化就是模糊化的逆过程,它就是将模糊推理获取的模糊控制量转化为实际应用中能够被识别的的清晰控制量,包括两个步骤:(1)将模糊控制量进行清晰处理,得出论域清晰量;(2)将论域清晰量进行尺度变换,获得我们所需要的实际控制量;3.3.2神经网络控制神经网络控制是模仿人脑思维功能和组织结构进行系统控制的一种智能控制方法。它最早由神经生物学家McCulloch和数学家Pitts提出,至今已有60多年的发展史。神经网络具有很强的学习和自适应能力,它是模拟人适应环境的学习能力的机器学习机制,主要分为有导