无刷直流电机概述

1、无刷直流电机控制技术进展综述 赵聪 S （北京工业大学电控学院，北京 ）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 The review of brushless dc motor control technology progressZHAOCong(College of electric control, Beijing University of Technology, Beijing ,

2、China)Abstract:Due to the advantage of simple driven, high efficiency, and high power density，brushless DC motor is used more and more widely . This paper analyses the theory of brushless dc motor, then based on motor model to discusses the current main use of several control methods, finally expoun

3、ds the current research hotspots of brushless dc motor.Key words: brushless dc motor；control technology；intelligent control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

4、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

5、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

6、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)

7、,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

8、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

9、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

10、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

11、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;|为定子磁链空间矢量幅值;|为转子磁链空间矢量幅值;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

12、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

13、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-ban

14、g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

15、大12。3.3.1模糊控制模糊控制是在美国加州大学扎德(L A.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

16、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

17、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,主要分为有导师学习,无导师学习和在励学习三种:1、有导师学习(监督学习)在学习过程中,神经网络

18、调整连接权是根据实际输出与期望输出的比较信号进行的,期望输出就是导师信号。2、无导师学习(无监督学习) 神经网络根据自身特殊的结构和学习规则调整连接权系,不需要导师信号.3、在励学习将学习作为一种试探奖励过程,学习机输出一个动作作用于环境后,根据动作后果产生一个在励信号(奖励或惩罚)反馈给学习机,再根据往奖励更大的原则进行调整,输出下一个动作。神经网络的学习过程是调整连接权系的过程,学习规则就是一种算法,用来修正神经元之间连接权系,使结构更适应环境的变化。由于对神经网络了解不多，详细内容可参阅4、8、12。3.3.3遗传算法控制 遗传算法是模拟生物的遗传和长期进化过程而发展起来的一种搜索和优化

19、算法。它将“生存竞争，优胜劣汰。适者生存”的生物进化论引入到参数形成的编码串联群体中，通过复制、交叉以及变异对个体进行筛选，并把优良的个体保留下来，形成新的一代群体，如此反复，群体中的个体适应度就不断提高，知道满足给定的要求。遗传算法的几个特点是：1. 遗传算法不是直接作用在参变量集上，而是利用参变量的某种编码。2. 遗传算法的搜索开始于解的一个种群，而不是从个解的开始搜索。3. 遗传算法仅利用了适应度值信息，无需导数或其他辅助信息。4. 遗传算法利用了概率转移规则，而不是利用确定行的转移规则。5. 遗传算法在解空间进行高效启发式搜索，而不是盲目的穷举或随意搜索。6. 由于遗传算法固有的并行性

20、，遗传算法非常适用于大规模并行计算，这是传统的优化方法不具备的1。除了以上三种智能控制以外，还有滑模变结构控制、灰色控制、蚂蚁算法等智能控制方法，电机高性能的控制需求也将会促进新的智能控制方法的出现和发展。相比较传统的控制算法，智能控制算法普遍鲁棒性较好，但算法复杂，系统操作要求高，适用于没有对象具体模型、具体参数等复杂情况，例如月球车上电机控制，深空探测机器人等方面。而传统控制算法适用于简单系统，精度及鲁棒性要求不高的场所，实现简单，可操作性强。 4. 无刷直流电机的研究热点 永磁无刷直流电机除了具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,还保留着有刷直流电机优越的起动和调速性能,同

21、时还省去了换向器和电刷组成的机械接触结构,寿命长、噪音低和电磁干扰小。但是无刷直流电机还存在一些问题，目前无刷直流电机研究热点主要为两个方向：（1）无刷直流电机的无位置传感器控制（2）无刷直流电机换相转矩波动抑制4.1无刷直流电机无位置传感器控制无位置传感器控制方式下的无刷直流电机具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，同时能在一定程度上克服位置传感器安装不准确引起的换相波动，并且在一些特殊场合，无位置传感器控制有着不可超越的优势。无刷直流电机无位置传感器控制方法包括反电势法、磁链法、电感法及人工智能法等。其中反电势法是目前技术最成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。下面简单介绍一下反电势法。反电势法

22、将检测获得的反电势过零点信号延迟30电角度，得到6个离散的转子位置信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。无刷直流电机反电势过零点与换相时刻的对应关系如下图所示。图中a相、b相、c相位相位互差120电角度的三相梯形波反电势，每隔30为一个换相点，分别滞后相应反电势过零点30电角度。图4.1无刷直流电机反电势过零点与换相时刻 目前，反电势法的关键是如何准确检测反电势过零点，国内外众多学者对反电势法进行深入研究，已提出了端电压检测法、反电势积分法、反电势三次谐波法、续流二极管以及线反电势等多种检测方式。这里一一介绍，详见5、11、12。4.2无刷直流电机换相

23、转矩波动抑制相比于永磁同步电机，无刷直流电机转矩波动较大。这不但会产生噪声和振动等问题，而且影响整个系统的性能，从而降低电机的使用寿命和驱动系统的可靠性，制约其在高精度、高稳定性场合的应用。根据产生的机理的不同，无刷直流电机转矩波动主要分为齿槽转矩波动和换相转矩波动两类。齿槽转矩波动是由于定子齿槽的存在，不同位置磁路的磁阻存在差异，气隙磁场在空间分布上出现齿形波动，进而造成电机反电势波形产生畸变。减小齿槽转矩需从电机本体入手，采用合理的结构设计，可减小齿槽转矩。目前抑制齿槽转矩的方法主要有斜槽法和斜极法、磁性槽楔法、减小槽口宽度法等，详见3。由换相期间电流变化引起的转矩波动称之为换相转矩波动，

24、其限制了无刷直流电机在高精度伺服系统中的应用。其主要产生因素有相电流及反电势。在换相过程中，反电势受漏磁等因素影响，同时反电势又影响着相电流，两者的在换相过程的变化引起转矩波动。抑制换相期间的转矩波动的方法有分时换相策略、自抗扰策略和基于BP神经网络的换相转矩波动抑制712。5. 结论直流无刷电动机在当今社会有着广泛的应用，其控制技术也一直是国内外众多学者的研究热点，包括智能控制技术、无位置传感器控制以及BLCDM波动抑制。随着控制技术的发展，直流无刷电动机的作用将会越来越大。参考文献:1 李勇达. 基于DSP与遗传算法的自适应模糊控制的无刷直流电机控制系统. 2011.LIYong-da.

25、Control System of Brushless DC motor Based on DSP and Adaptive Fuzzy Control With Genetic Algorithm.2011.2 汪小锋.基于PWM的直流无刷电机控制系统.2007.WANGXiao-feng. Control System of Brushless DC Motor on the base of PWM. 2007.3 张晓宇. 减少齿槽转矩的无刷直流电机优化设计. 2013ZHANGXiao-yu. Optimization of Design to Reduce Cogging Torque in Permanent Magnet Brushless DC Moter. 20134 肖雅芬. 无刷直流电机的非线性PID神经网络智能控制. 2012XIAOYa-feng. The intelligent control of the nonlinear PID nueral ne