无刷直流电机控制技术的发展综述.docx

北 京 工 业 大 学 学 报 6无刷直流电机控制技术的发展综述郑鹏（北京工业大学电子信息与控制学院，北京，100124）摘 要：无刷直流电机控制系统是集电机技术、电力电子技术、控制理论和计算机技术等现代科学技术于一身的机电一体化系统。无刷直流电机在保持传统直流电机优越的调速性能基础上，克服了原来机械换向和电刷引起的一系列问题，在现在社会的各个领域均有较好的应用。新型稀土永磁材料的开发和利用，将会使无刷直流电机具有更加广阔的应用前景。本文阐述了无刷直流电机的发展历史，列举不同的无刷直流电机速度智能控制技术，并展望了无刷直流电机的发展趋势。关键词：无刷直流电机；智能控制技术A Review on Control Technique for Brushless DC MotorZHENG Peng（College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）Abstract: Brushless DC motor control system rolled Motor Technology, Power Electronics Technology, Control Theory and Computer Technology and other modern science into its system. Brushless DC motor is not only maintaining superior speed performance, but also overcome a series of the original problems caused by brush and commutation. Its have a better application in all areas of society now. Development and use of new rare-earth permanent magnet materials will make a brushless DC motor with a more broad application prospects. This paper describes the history of the development of brushless DC motors, different speed intelligent control technology, and the development trend of brushless DC motor.Key words: Brushless DC motor; speed intelligent control technology目前，国内外对无刷直流电机（brushless DC motor，BLDCM）的定义一般有两种：一种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor, PMSM）；另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机【1】。本文将采用第一种定义，把具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷直流电机称为无刷直流电机。1.无刷直流电机的发展历程现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机和各种其他类型的电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦。目前，小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用。但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使得电机寿命缩短，并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而限制了其在某些特殊场合的应用【2、3】。因此，在一些对电机性能要求较高的中小型应用场合，亟须新型高性能电机的出现。无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831年法拉第发现电磁感应现象，从此奠定了现代电机的理论基础。19世纪40年代，第一台直流电机研制成功。受电力电子器件和永磁体材料等发展的限制，无刷直流电机在一个多世纪后才面试。1915年，美国人Langmuir发明了控制栅极的水银整流器，并制成了直流变交流的逆变装置。针对传统直流电机的弊病，20世纪30年代，一些学者开始研制采用电子换相的无刷直流电机，为无刷直流电机的诞生提供了条件。但由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段，没能找到理想的电子换相器件，使得这种可靠性差、效率低下的电机只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1955年，美国的Harrison和Rye首次申请成功用晶体管换相线路代替电机机械电刷换相装置的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形，如图1.1所示。其工作原理是，当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的感应电势，此电势导致对应晶体管导通，这样就使相应功率绕组轮流馈电，实现了换流。但该电机的问题在于：首先，当转子静止时，信号绕组内不产生感应电势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷电机无启动转矩；其次，信号电势的前沿陡度不大，使得晶体管的功耗较大。为了克服这些弊端，人们采用了带离心装置的换相器，或在定子上防止辅助磁钢的方法来保证电机可靠的启动，但前者结构复杂，后者则需要附加的启动脉冲。其后，经过反复实验和不断实践，借助霍尔元件实现电子换相的无刷直流电机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元。20世纪70年代初期，出现了比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管，借助磁敏二极管实现换相的无刷直流电机也试制成功。此后，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件相继出现，再加上钐钴、钕铁硼等高性能永磁材料的问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。图1.1 无换向器直流电机模型1978年，联邦德国Mannesmann公司Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机真正进入实用阶段。之后，国际上对无刷直流电机开展了深入的研究，先后研制成梯形波/方波和正弦波无刷直流电机。正弦波无刷直流电机就是大家通常说的永磁同步电机。一般来讲。它与梯形波/方波无刷直流电机均具有图1.2（a）所示的拓扑结构，可看做是采用转子位置反馈来进行换相控制，从而保证自同步运行切不需启动绕组的永磁电机。同时，它们每相等效电路图也是相同的，如图1.2（b）所示，图中L-M为每相等效电感。随着永磁材料、微电子技术、电力电子技术、检测技术以及自动控制技术特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）等大功率开关器件的发展，采用电子换相原理工作的无刷直流电机正朝着智能化、高频化和集成化方向迅猛发展。逆变器M+-直流电源转子位置传感器（a）拓扑结构图（b）等效电路图图1.2 无刷直流电机拓扑与等效图20世纪90年代以后，计算机技术与控制理论发展十分迅速，单片机、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等微处理器得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞越，进一步推动了无刷直流电机的发展。此外，一些先进的控制策略和方法，如滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、自抗干扰控制和自适应控制等【4-6】，不断地被应用到无刷直流电机控制系统中。这些方法在一定程度上提高了无刷直流电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳态响应以及系统抗干扰等方面的性能，扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围，同时还丰富了相关控制理论的内涵。2.无刷直流电机速度智能控制技术2.1 模糊控制模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制，其基本u=e。R概念由美国加利福尼亚大学著名教授查德首先提出，经过20多年的发展,在模糊控制理论和应用研究方面均取得重大成功。模糊控制的基本原理框图如图2.1所示，核心部分是模糊控制器，如图中虚线框中所示部分。实现一步模糊控制算法的过程描述如下：微机通过周期中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E一般选取误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量。误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差E用模糊语言表示的集合的一个子集e(e实际上是一个模糊矢量),再由模糊子集e和模糊控制规则R根据模糊推理的合成规则进行模糊规则决策,得到模糊控制输出量u。 u=e。R (1)式中u是一个模糊量，需要进行反模糊化处理后,得到精确的数字控制量，经数/模转换，变为相应的模拟量后送到执行机构，对受控对象进行控制。图2.1 模糊控制系统的基本框图模糊控制器的组成框图如图2.2所示。主要包括：输入量模糊化、数据库、规则库、模糊推理机和反模糊化等五个部分。图2.2 模糊控制器的组成结构图1）模糊化接口模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于控制输出的求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将真实的确定输入转换为一个模糊矢量。对于一个模糊输入变量e,其模糊自己通常可以作如下方式划分：e=负大,负小,零,正小,正大=NB,NS,ZO,PS,PBe=负大，负中，负小，零，正小，正中，正大=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB2）数据库数据库中存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值（即经过论等级离散化以后对应值的集合），若论域为连续域，则为隶属函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中,向推理机提供数据。3）规则库模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期累积经验，它是按照人类直觉推理的一种语言表达形式。模糊规则通常有一系列的关系词连接而成，如if-then、else、also、end、or等。最常用的关系词有if-then、also、or和and，假设现有一个模糊控制系统的输入变量为误差e和误差变化ec，相对应的模糊语言变量为E和EC，通过一组模糊规则，可得模糊控制输出变量U，如:R1：if E is NB and EC is NB then U is PB;R2：if E is NB and EC is NM then U is PB;R3：if E is NM and EC is NB then U is PB;R4：if E is NM and EC is NM then U is PB;R5：if E is NS and EC is NS then U is PM;等等规则库中存放着全部模糊控制规则，在模糊逻辑推理时为模糊推理机提供控制规则。由上述可知，规则条数和模糊变量的模糊子集划分有关，语言变量的模糊子集划分越细，规则条数就越多。若能够保证专家知识的准确度，那么，规则条数越多，规则库的准确度就越高。4）模糊推理与反模糊化接口模糊推理是模糊控制中，根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理求解模糊方程，并获得模糊控制量的功能部分。目前可用于模糊推理的方法很多，在实际系统处理时，为了不影响控制效果的实时性，通常采用运算较简单的推理方法，而且，随着现代微电子和集成技术的发展，具有此类功能的硬件芯片取得不断进步并得到逐步应用。模糊逻辑推理与决策得到的是模糊化的控制量，需要经过反模糊化处理，求得精确的数字控制量，经数/模转换后，变为精确的模拟量送给执行机构，对受控对象进行控制。通过上述分析，模糊控制器完成的工作可以概括为以下几个部分：(l)采样得到受控对象的状态值，计算输入变量；(2)将输入变量进行模糊化处理，得到相应的模糊量；(3)由输入变量的模糊量和模糊控制规则，经模糊逻辑推理与决策后得模糊控制输出量；(4)由模糊控制输出变量计算精确的控制量。2.2 遗传算法优化控制简单的遗传算法只使用选择算子、交叉算子和变异算子三种基本遗传算子，其遗传进化操作过程简单，构成要素包括染色体编码方法、个体适应度评价、选择运算、交叉运算、变异运算和运行参数等。采用自适应交叉、变异的改进遗传算法进行 PID 参数寻优。（1） 染色体编码方式常见的编码方式有二进制编码和实数值编码。采用二进制编码时，编码串过长，且需再解码为实数，存在着量化误差，降低了寻优速度和精度；实数编码是对原参数直接进行遗传操作，具有求解精度高、便于大空间搜索的优点。若系统有n个参数需要优化，可将这些参数作为分量构成一个M维行向量，得到个体的编码为P=p1,p2,pn。其中P表示一个个体，pi是在第i个参数的参数空间内随机产生的一个分量,n为所有待优化参数的数目。本文每个个体有三个分量 Kp、Ki、Kd，它们的取值范围确定在0.000110之间。（2）初始种群的生成首先按照调节器的常规工程设计方法整定出参考值，然后在此数值附近生成初始种群。相比标准遗传算法，按随机的方法产生一定数目的个体组成初始群体，可使搜索空间缩小，从而迅速搜索到最优解。（3）适应度函数的选取为获得满意的动态过程，采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。为防止控制量过大，在目标函数中加入控制输入的平方项。选用式（2）作为参数选取的最优指标。（2）为避免超调,采用惩罚函数，一旦超调，将超调量作为最优指标的一项，此时最优指标计算公式为： （3）式(3)中:e(t)系统误差；u(t)控制器输出；tu上升时间；w1、w2、w3、w4权值，且 w4w1。适应度函数取为： （4）（4）最优保存策略与选择方法最优保存策略是将遗传操作后产生的当前代群体中最高适应度值与上一代群体的最高适应度值作比较，如果当前代最优个体优于上一代，则将其作为当前代的保留个体；否则，就淘汰新一代中的一个个体，并将上一代中具有最高适应度值的个体加入到新一代中。最优保存策略可保证当前的最优个体不会被交叉、变异等遗传运算破坏。本文采用按比例适应度分配方法，即每个个体被选中的概率与其适应度成正比。设 fi为某个体的适应度值，则该个体被选中的概率 Pi为： （5）（5）自适应交叉、变异算法进行交叉率 Pc和变异率Pm的自适应调整计算: （6） （7）式（6）、(7) 中 k1、k2、k3、k4为常数， fmax是最大适应度值，favg为种群平均适应度值, f表示参与交叉的两个个体中较大的适应度，f表示变异个体的适应度。（6） 遗传算法优化 PID 参数的步骤利用遗传算法优化 Kp、Ki、Kd的具体步骤如下：确定每个参数的大致范围，进行编码；随机产生 n 个个体构成初始种群；由式(1)、 (2)计算J, 再计算出适应函数值fi； 应用选择、交叉、变异算子对种群进行操作, 产生下一代种群；重复步骤、 ,直到参数收敛或达到预期目标。2.3 灰色控制灰色系统理论的研究对象是“部分信息已知，部分信息未知”的“贫信息”不确定性系统，它通过对“部分”已知信息的生成、开发，实现对现实世界的确切描述和认识。灰色系统的一些基本原理如下：公理 1（差异信息原理）：“差异”是信息，凡信息必有差异。公理 2（解的非唯一性原理）：信息不完全、不确定的解是非唯一的。公理 3（最少信息原理）：灰色系统理论的特点是充分开发利用已占有的“最少信息”。公理 4（认知根据原理）：信息是认知的根据。公理 5（新信息优先原理）：新信息对认知的作用大于老信息。公理 6（灰性不灭原理）：“信息不完全”（灰）是绝对的。灰色系统理论的主要任务之一，就是根据社会、经济、生态等系统的行为特征数据，寻找不同系统变量之间或某些系统变量自身的数学关系和变化规律。灰色系统理论认为任何随机过程都是在一定幅值范围和一定时区内变化的灰色量，并把随机过程看成灰色过程。事实上，研究系统的行为特征，得到的数据往往是一串确定的白数，我们把它看成是某个随机过程的一条轨道或现实，或是看成灰色过程的白化值，这并没有本质上的区别。如何通过系统行为特征数据研究其发展规律，不同的方法思路也不一样。随机过程是以先验规律为出发地点，研究数据的统计规律。这种方法是建立在大量数据的基础上的。但有时候，即使有了大量数据也未必一定能找到统计规律。因为概率论或随机过程中研究的典型分布是十分有限的，对于非典型的分布过程（如平稳过程、高斯过程、马尔可夫过程或白噪声过程等以外的分布过程），往往难以处理。灰色系统是通过对原始数据的挖掘、整理来寻求其变化规律的，这是一种就数据寻找数据的现实规律的途径，称之为灰色序列生成。灰色系统理论认为，尽管客观系统表象复杂，数据离乱，但它总是有整体功能的，因此必然蕴含某种内在规律。关键在于如何选择适当的方式去挖掘它和利用它。一切灰色序列都能通过某种生成弱化其随机性，显示其规律性。3.无刷直流电机发展趋势无刷直流电机主要由电机本体、功率驱动电路和位置传感器三部分组成，其控制涉及电机技术、电力电子技术、检测与传感器技术和控制理论技术。因此，新电子技术、新器件、新材料及新控制方法的出现都将进一步推动无刷直流电机的发展和应用。3.1 电力电子及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响1）小型化与集成化微机电系统（MEMS）技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器高度集成化的方向发展，如将电流、电压、速度等信号融合后再进行反馈，可使无刷直流电机控制系统更加简单和可靠。另外，由于无刷直流电机采用稀土永磁材料制作转子，转子无热源，故电机内部温升值较传统直流电机小很多，使无刷直流电机逆变器控制电路装入电机内部成为可能。2）控制器全数字化无刷直流电机性能的改善和提高，除了与电机转子永磁材料及电子驱动电路密切相关外，更与其控制器密切相关。因此，也可以从提高电机控制器的性能着手提高无刷直流电机控制系统的整体性能。高速微处理器及高密度可编程逻辑器件技术的出现，为此提供了可行的方案和可靠的保证。3）绿色PWM控制及其高效化在无刷直流电机控制系统中，当逆变器采用三相六状态120两两导通方式时，每个电周期共有六个扇区，每个扇区各占60电角度，每个功率器件在一个电周期内导通120电角度。根据功率器件在导通周期内调制方式的不同，无刷直流电机PWM控制方式可以分为半桥调制和全桥调制两种模式。每种调制模式都有自己的优缺点，实际应用时根据用户对转矩波动、系统效率和无位置传感器控制方式等要求进行合理的选择。无刷直流电机控制系统采用双极性功率晶体管（BPT）驱动时，驱动电路的开关频率一般在25kHz，不利于人体健康。同时，在绕组电感不够大时，绕组电流波形不太平滑、波动较大。采用MOSFET和IGBT之后，开关频率可达几十千赫兹以上。这样，不论电磁噪声还是电流波形都能得到改善。3.2 先进控制策略的应用现代工业中对电机性能要求越来越高，无刷直流电机性能的改善可以通过电机本体优化设计及电力电子装置的控制来实现，也可利用各种先进的控制策略来完成。无刷直流电机控制系统是典型的非线性、多变量耦合系统，传统的PID控制算法简单、易