| 無刷直流電動機的控制及應用 |
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引言
無換向器電動機是70年代迅速發展起來的一種新型調速電動機。它是一種用半導體開關器件控制的變頻調速同步電動機；也或可認為是一種用半導體電子開關線路代替換向器和電刷作用的直流電動機。半導體器件可以是晶體管、晶閘管、門極關斷晶閘管（GTO）等。為區別于一般的獨立變頻調速系統（其頻率由電動機外部控制），人們又稱這種調速系統為同步電動機的自控式變頻調速系統。
無換向器電動機根據所采用的控制元件和控制方式的不同而有多種結構。一般低壓、小容量的無換向器電動機多是晶體管電動機，小型晶體管電動機在商業上通常稱為無刷直流電動機。而高壓、大容量的無換向器電動機則多為晶閘管電動機。
根據所采用的控制方式不同可分為直流無換向器電動機和交流無換向器電動機。直流無換向器電動機采用交-直-交控制系統或直-交控制系統，通常把50Hz的交流電整流成直流電或直接用直流電，由半導體變流器轉變成頻率可調的交流電，供給同步電動機以實現變頻調速。交流無換向器電動機采用交-交控制系統，它是利用半導體變流器直接把半導體直接把50Hz的交流電轉變成為頻率可調的交流電，供給同步電動機以實現調速。
無換向器電動機的特性和普通直流機十分相近，可在四個象限運行，效率和技術經濟指標也相近。但它沒有電刷和換向器，因而比直流電動機結構簡單，維護方便，容易做到低轉速大容量、高轉速大容量，調速方便，不失步，因而適用范圍廣泛。在易燃、易爆、高氣壓等環境比較惡劣的場合，如水泥廠、化工廠、礦山、油田及潛艇上都能使用；也適于安裝在人不可及的裝備上，如原子能設備、高空飛行器及偏僻海島等地方。
交-直-交高速大容量無換向器電動機多用于風機、水泵及壓縮機類調速和大型同步電動機、蓄能電站發電-電動機的起動。
交-交電壓型低速大容量無換向器電動機多用于大型軋鋼機、礦井卷揚機，水泥磨機等設備的調速傳動。
無刷直流電動機具有調速性能好、控制方法靈活多變、效率高、啟動轉矩大、過載能力強、無換向火花、無無線電干擾、無勵磁損耗及運行壽命長等諸多優點。近年來，由于永磁材料性能提高、制造成本價格下降、電力電子技術發展及對電機性能要求等因素的影響，無刷直流電動機的應用領域迅速擴展。隨著大規模集成電路的普及，各具特色的無刷直流電動機專用集成電路控制芯片紛紛涌現，將各種功能的電子控制電路集成在一片控制芯片中，既使控制電路體積大大減小，又減少了整個裝置的調試工作量。隨著電力電子工業的發展，無刷直流電動機的應用將更加普及。
1、無換向器電動機的基本工作原理
無換向器電動機的基本工作原理如下圖1所示：
圖1 無換向器電動機原理圖
由上述原理圖可見，無換向器電動機相當于有三個片的直流電動機，只不過換向是由晶閘管（或晶體管）來進行的。它是一個受控于位置檢測器（PS）的自控式半導體變頻器和同步電動機（MS）組成的調速系統。由于電動機定子電樞電流是直接由轉子轉速控制的，這樣，電動機速度升高或降低時，位置檢測器輸出信號的頻率也升高或降低，電樞電流頻率及其旋轉磁場速度隨之升高或降低，始終能夠保持與勵磁磁場相對位置不變的關系，因此這種電機不會有失步的問題。這是自控式同步電動機的特點，所以無換向器電動機又稱為頻率自控的同步電動機。
下面主要研究無刷直流電動機的控制方式及其應用。
2、無刷直流電動機控制方法
2.1 無刷直流電動機的速度/位置控制
目前國內外學者對無刷直流電動機的研究大多集中在其速度和位置控制技術上。無刷直流電動機速度伺服系統的結構如圖２所示，系統采用電流、速度雙閉環控制，電流環采用傳統的PI控制，速度環既可采用PI控制，也可根據運行條件選擇合適的控制策略。無刷直流電動機位置伺服系統的結構如圖3所示，系統采用速度、位置雙閉環控制，速度環可采用速度伺服系統中的各種控制策略進行控制，為了提高系統的快速響應性，位置環常采用變結構控制。
圖2 無刷直流電動機速度伺服系統結構圖
圖3 無刷直流電動機位置伺服系統結構圖
2.2 無刷直流電動機的控制策略
受控制理論和控制器件的限制，無刷直流電動機很長時間內一直采用經典PID控制，該控制方法可使系統性能滿足各種靜、動態指標，但系統的魯棒性不盡人意。面對日益復雜的控制對象，為進一步提高無刷直流電動機調速系統的快速性、穩定性和魯棒性，智能控制方法受到更多關注。近年來電機控制專用數字信號處理器(DSP)又成為另一被廣泛使用的控制方法，DSP實現的電機伺服系統可以只用一片DSP代替單片機和各種接口，且DSP芯片有快速的運算能力，可以實現更復雜、更智能化的算法；可以通過高速網絡接口進行系統升級和擴展；可以實現位置、速度和電流的全數字化控制。
(1) PID控制
PID控制具有控制結構簡單，參數容易整定的優點，在工業領域應用最為廣泛。在設計PID控制器時，分析比較PID參數Kp，Ki ，Kd對系統的影響，通過參數的調整使系統的暫態特性達到最優。在無刷直流電動機速度閉環控制方案中， PID控制器雖然容易使用，但易受干擾，采樣精度和數字量上、下限的影響易產生積分飽和而失去調解作用。而采用非線性變速積分PID算法時，可將PID控制器輸出限制在有效輸出范圍內，避免其超出執行機構動作范圍而發生飽和。這種算法消除了一般PID控制器算法中的飽和現象，使電機調速穩定，并具有快速跟隨性， 同時也使電機具有恒轉矩調速特性。
(2) 智能控制
智能控制是控制理論發展的高級階段，智能控制系統具有自學習、自適應、自組織功能等，能夠解決模型不確定性問題、非線性控制問題以及其他較復雜的問題。無刷直流電動機是一個多變量、非線性、強耦合的研究對象，利用智能控制可以取得較滿意的控制效果。無刷直流電動機中主要采用的模糊控制策略有：基于簡單模糊控制器、模糊- PI復合控制器、模糊PID (PI)控制器、自適應、自組織、自學習模糊控制器和集成及智能模糊控制器的速度控制方法。模糊控制不依賴于被控對象精確的數學模型，對系統動態響應有較好的魯棒性，但難以消除系統穩態誤差，而PID控制方法可以很好地解決這一不足，若將兩者結合起來則系統同時兼有兩種方法的優點。在無刷直流電動機控制系統中，電流環采用經典PI調節，速度環采用模糊控制和PID 混合結構，將PID控制器分解為模糊PD控制器和傳統的積分環節，既保留了經典PID控制器的特性，又增加了模糊PD控制器快速響應的特點，做到了響應快和靜態無誤差，完善了PID功能。傳統的PID控制要想取得好的控制效果就必須調整好比例、積分、微分系數之間的關系，使它們既相互配合又相互制約。神經網絡具有任意非線性表示能力，可以通過學習來實現具有最佳組合的P ID控制，針對神經網絡控制器在大誤差范圍內電流過早退飽和，不利于響應快速性的缺點，加入模糊控制來改善性能，提高響應的快速性。在P ID調節的基礎上結合模糊邏輯和神經網絡，設計神經模糊控制器，其基本思路是：利用模糊控制的魯棒性和非線性控制作用；對作為實現模糊規則的神經網絡 (NN)的輸入進行預處理，根據系統的運行狀態，通過神經網絡在線調節PID控制器的參數，從而達到性能指標39的最優化。圖4所示為神經網絡模糊PID 控制系統結構。
圖4 神經網絡模糊PID控制系統結構
在速度和電流雙閉環控制系統中，為了提高系統的快速響應能力，由基于模糊自適應理論設計的控制器來代替PI速度調節器。模糊自適應控制器由模糊速度控制器和模糊辨識器兩部分組成，模糊速度控制器用參數可調的模糊基函數表示，模糊辨識器根據辨識得到的估計輸出與被控對象實際輸出之差在線實時調整， 并同時預測被控對象的輸出。基于神經網絡控制和小波變換檢測故障的無刷直流電動機系統，采用三層前饋式人工神經網絡來實現無刷直流電動機電流、電壓的雙閉環控制，利用離線和在線訓練結合方式對神經網絡進行訓練，通過在線學習能夠在保證系統穩定性的同時，對擾動和參數變化進行有效的抑制補償。利用離散小波變換的時域特性和連續小波變換檢測信號邊沿的原理進行無刷直流電動機運行狀態和故障狀態的檢測，可以有效地提高控制系統的動靜態性能、穩態精度和可靠性。
(3) 無傳感器控制
從控制系統的成本、維護性、可靠性等方面考慮，無傳感器的傳動系統對提高系統的可靠性具有更重要的意義，成為近年的研究熱點。無傳感器控制技術的關鍵在于速度/位置的觀測與估計。由于無刷直流電動機在任意時刻，定子的三相繞組只有兩相繞組同時有勵磁電流，而另外一相繞組的感應電動勢幅值較小，雜波較多，因此更適于無傳感器控制。由于取消了霍爾元件等位置傳感器，保證此類電機的穩定運行成了關鍵問題。電機在不同的工作頻率、啟動及過流狀態下需要滿足一定的穩定運行條件， PLL鎖相環以及PWM速度反饋網絡也會影響電機工作的穩定性。無位置傳感器無刷直流電動機的鎖相穩速控制方法可以實現對電機的高精度穩速控制，既無需檢測電機轉子位置的傳感器，也不用檢測電機轉速的光電碼盤，而是由電機電樞繞組的反電動勢經整形后直接作為轉速反饋信號，系統一經鎖定，電機的轉速就跟隨參考信號的頻率變化，其穩速精度達到與晶體振蕩器提供頻率一樣的穩定精度。基于三次諧波檢測法的無位置傳感器無刷直流電動機控制系統，可以實現開環、轉速負反饋以及電壓負反饋加電流正反饋三種調速方法。開環方式適合于轉速精度要求不高的場合，轉速負反饋方式適合于機械特性要求比較硬、轉速精度要求比較高的場合，而電壓負反饋電流正反饋方式則應用于動態性能要求比較高的場合。由于位置傳感器直流電壓波紋的信號失真對無刷直流電動機的性能也有影響，因而使無位置傳感器的研究顯得更為重要。
(4) DSP控制器
在基于DSP的無刷直流電動機控制系統中，一片DSP就可代替單片機和各種接口，且由于DSP芯片的快速運算能力，可以實現更復雜、更智能化的算法；可以通過高速網絡接口進行系統升級和擴展；可以實現位置、速度和電流環的全數字化控制，可以方便地通過SC I接口的擴展能力與上位機進行通訊，組成多機系統結構。以TMS320LF2407為核心的永磁無刷直流電動機控制系統設計，包括PWM斬波電路結構及功率開關器件的選擇，驅動電路，保護電路，及軟件編程。利用TMS320LF2407的運動控制接口形成單片DSP控制的電機系統，使用霍爾元件檢測轉子磁極位置，形成電子換向邏輯，通過數字P I速度和電流控制器控制電機速度。實驗證明使用DSP實現無刷直流電動機控制，不僅比傳統的模擬電路成本低，而且結構簡單，方便擴展。基于 TMS320LF2407DSP數字信號處理芯片、智能功率模塊IPM的無位置傳感器的無刷直流電動機調速系統，采用P I控制算法提高了系統的實時性和控制精度，可以實現無刷直流電動機的無級調速。
2.3 無刷直流電動機的制造材料
無刷直流電動機的電樞繞組放在定子上，轉子采用永磁材料。永磁材料的使用，大大減小了無刷電動機的重量、簡化了結構、提高了性能，使其可靠性得以提高。無刷電動機與永磁材料的發展是分不開的，磁性材料經歷了鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼(NdFeB)等幾個階段。釹鐵硼永磁材料的應用，進一步減少了電機的用銅量，促使無刷電機向高效率、小型化、節能的方向發展。但隨著永磁電機的發展，仍有磁路結構設計計算、驅動控制、不可逆退磁等幾大問題需要研究和分析。永磁體磁化時的幾何狀態對無刷直流電動機的影響是很大的，選取以不同方式磁化的永磁體進行研究時，由于磁化方式不同，每塊永磁體都產生了獨特的磁域。另外永磁體磁化的幾何結構對永磁體性能有極大的影響。無刷直流電動機在不同磁化狀態下有不同的性能，例如矩形磁化狀態下的轉矩會引發低電流，而正弦磁化產生的磁化電流最小，可使無刷直流電動機具有最好的機械特性。在實際應用中如何減小電機的體積是迫切需要解決的問題，大量的分析比較實驗證明可以通過使用永磁體或者改進繞組方法來達到這個目的。
3、無刷直流電動機的應用
無刷直流電動機是一種新型的直流電動機，與傳統的直流電機相比，無刷直流電動機具有優越的性能，在許多領域得到了廣泛應用。
① 在精密電子設備和器械中的應用
用來存放各種信息數據的計算機外存設備，其各種存儲器的主軸電動機均采用高檔精密無刷直流電動機，特別是用于硬盤驅動器的主軸電機，能懸浮于盤片上下兩側以高速驅動磁盤穩定旋轉，這對無刷直流電動機零部件和裝配精度提出了很高要求。無刷直流電動機還廣泛應用于醫療器械、激光打印機、復印機、衛星太陽能帆板驅動、醫療監控設備等領域。
② 在家用電器中的應用
近年來的變頻式空調機中使用了多臺無極調速無刷直流電動機。無論是壓縮機拖動，還是在風機、加濕機中，都逐步采用無刷直流電動機拖動方式，既提高機械可靠性，又降低成本。此外在熱水器、吸塵器、洗衣機、電風扇、攪拌機中使用無刷直流電動機可實現多功能自動操作，提高家電產品的自動化程度和效率。
③ 在工業系統中的應用
許多工業系統中，往往需要能精確定位又要快速動作的執行機構。在這些系統中采用無刷直流電動機的伺服控制，不僅提高了生產效率，而且大大改善了產品質量，例如，在毛巾印花機中，采用兩套帶光學編碼器的無刷直流電動機伺服控制系統，定位準確，印花清晰，生產效率大大提高。無刷直流電動機還廣泛應用于其它領域，如航空工業、軍事國防等等。現代控制理論的發展和應用促使許多新型交流伺服電機控制方法誕生，交流伺服電機是一個多變量、非線性、強耦合的控制對象，僅僅采用一般的控制方法，很難達到較高的性能要求。由于無刷直流電動機具有一系列的優點，應用領域寬廣，更適合于高性能的交流伺服系統，因此對無刷直流電動機交流伺服系統控制策略及應用的研究具有重要的價值和意義。
4、總結
總之，相對于其它類型電動機，無刷直流電動機是一種新型電動機，有著更優越的性能。無刷直流電動機是機電一體化產品，是多學科技術相結合的產物。它的驅動、控制更是和電子技術息息相關。本文總結了國內外直流無刷電動機各種控制技術，主要集中在傳統PID控制算法、無位置傳感器算法、智能控制策略和電機專用DSP控制器上，電機的控制技術是在不斷進步，我們需要不斷探索無刷直流電動機控制的新方法。 |
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