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文献综述

毕业设计（论文）

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无刷电机控制技术的研究

1前言

电机在人类社会中的应用已有近100多年的历史，电机的发展是从永磁电机开

始的，长期以来一直被广泛的应用在各种驱动装置和伺服系统中。

随着科学技术和工业化的快速发展，工业自动化程度的日益加深，电机的应用领域不断的扩大。

[]电力电子技术、微机控制技术和控制理论的发展更加促进了电机调速技术的发展。

随着新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积愈来愈小，控制器的可靠性提高而成本日益降低，从而使得电机的应用不再局限于传统的工业领域，而逐渐向商业，家用电器、声像设备、电动自行车、汽车、机器人、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统等领域拓展。

[1,15]

2国内外发展概况

电机的种类很多，其中，无刷直流电机以其优越的性能成为国内外科研机构的重点研究对象。

早期国内外对直流无刷电机的研究主要致力于将更加先进的电力电子器件和材料应用于直流无刷电动机以提高它的性能。

在八十年代以后，随着磁性材料（尤其是高性能的稀土永磁材料）、电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了直流无刷电动机特性的同时，人们又把对直流无刷电动机研究的目光转移到电子换相、稀土永磁材料以及智能控制三个方面，试图来抑制直流无刷电动机的转矩波动。

除此之外，随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化，使得许多较复杂的控制技术得以实现。

这些控制技术的实现又进一步推动了直流无刷电机在各个工业领域更好地应用，为直流无刷电机的发展打开了广阔的前景。

[2]

3无刷电机控制

3.1无刷直流电机

无刷直流电动机可分为电动机本体、位置传感器和电子换向线路三部分。

在图1中，一台直流无刷电机由一个永磁转子与多极定子绕组组成。

在永磁转子与定子绕组间存在内定予绕组所激发的磁场，它对永磁转子产生磁力矩。

电能就是由于这个力矩的推动转子运动面转化为机械能的。

在电动机内部（图2），安装有位置传感器，用来检测主转子在运行过程中的位置。

在图2中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，图中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。

位置传感器的跟踪转子与电动机转轴联接。

[3]

图1直流无刷电机结构简化示意图

图2直流无刷电机结构原理图

无刷直流电机与传统直流电机相比，其结构上有较大不同，无刷直流电机将传统直流电机定子上的永磁体转移到转子上，而将电枢绕组置于定子上，并采用电子换向装置取代传统直流电机的机械式电刷换向器，使无刷直流电机在运行时无换向火花和无线电干扰，长时使用无需更换电刷，电机使用寿命长。

无刷直流电机紧凑的机械结构，使其能够更容易地实现小型化。

无刷直流电机相对于交流异步电机，具有高能量密度、高效率的特点，同时具有较好的调速性能。

由于定子无励磁电流分量，具有较高的效率。

无刷直流电机由传统直流电机衍生而来，其自身具有传统直流电机调速方便、性能优异的特点，通过调压调速方式即可实现转速的平滑调节。

[1]

综上所述，无刷直流电机相对于其它电机，有着其突出的优点：

（1）低噪音

（2）高效率，高功率密度

（3）易于控制

3.2供电方式

变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢电压需要有专门的可控直流电源。

常用的可控直流电源有以下三种：

1）旋转变流机组

2）静止式可控整流器

3）PWM变换器

3.2.1旋转变流机组

图3为旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。

由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n，这样的调速系统简称G-M系统。

图3旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图

机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台于调速电动机容量相当的旋转电机，还要一天励磁发电机因此设备多，体积大，费用高，效率低，运行有噪声，维护不方便。

[4]

3.2.2静止式可控整流器

采用闸流管的离子推动系统是最早应用静止式变流器装置供电的直流调速系统。

图4所示为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图。

图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压

来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压的

，从而实现平滑调速。

图4晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）的原理图

它与旋转变流机组相比，晶闸管整流器装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，大大提高系统的动态稳定性能。

但它也有缺点：

首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统可逆运行造成困难；另外一个问题是谐波与无功率造成的“电力公害”。

[4]

3.2.3PWM变换器

图5是PWM变换器-直流电动机系统原理图。

VT的控制极由脉宽可调的脉冲电压序列

驱动，在一个开关周期内，当0≤t＜

时，

为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；

≤t＜T时，

为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。

这样，电动机两端得到的平均电压为改变占空比ρ（0≤ρ≤1）即可调节电动机转速。

自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称PWM调速系统，与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：

1）电路简单；

2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；

3）动态响应快，动态抗干扰能力强。

[4,13,14]

图5PWM变换器-直流电动机系统

3.3位置检测方法

3.3.1有位置传感器检测

位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。

位置传感器种类较多，且各有特色。

目前在无刷直流电机中常用的位置传感器有下述几种形式：

（1）电磁式位置传感器：

电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。

电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点；但这种传感器体积较大，同时其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后方可应用。

（2）光电式位置传感器:

光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘组成。

光电式位置传感器性能较稳定，但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求较高等缺陷，若采用新型光电元件，可克服这些不足之处。

（3）霍尔位置传感器：

，霍尔元件位置传感器是利用霍尔效应制成的一种半导体器件，当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电动势信号，当不受外磁场作用时，其输出端无信号。

霍尔元件位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。

因此，在对性能和环境要求不是很高的场合，可以使用霍尔元件位置传感器。

3.3.2无位置传感器检测

在小型和轻载起动条件下，无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择。

这种检测方法不是直接检测电机转子的位置，而是通过检测磁链、电流和电压等物理量来得到转子位置。

其中，最具代表性的检测方法当属反电动势过零检测法。

[5]

反电动势法（也称端电压反电动势法）是通过测量三相绕组的端电压与中性点电压实现的。

当某相端点电位与中性点电位相等时,则此刻该相反电动势过零，反电动势过零后再延时30°电角度即为触发功率开关管进行换向的时刻。

[6,9]

图6反电动势法检测电路

3.4速度控制技术

随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化，使得许多较复杂的控制技术得以实现。

这些控制技术的实现又进一步推动了直流无刷电机在各个工业领域更好地应用，为直流无刷电机的发展打开了广阔的前景。

目前，应用到直流无刷电机控制系统的控制技术主要有：

1）PID控制；

2）模糊控制；

3）变结构控制；

4）神经网络控制技。

[2]

3.4.1PID控制技术

PID控制是一种技术最为成熟、应用最为广泛的控制算法。

这种控制方式的最大优点是结构简单，使用方便。

该算法由于其简单实用而被广大工程技术人员所熟悉，其形式如下：

（3.1）

同样，在数字控制系统中，使用比较普遍的也是PID控制规律，此时数字PID调节器的输出和输入之间的关系是：

（3.2）

在传统的PID控制方法中，主要包含三个基本的环节：

比例环节、积分环节、微分环节。

比例控制的优点是：

误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝着误差减小的方向变化，其控制作用的强弱取决于比例系数Kp。

比例控制的缺点是对于系统阶跃响应值为一有限值的被控对象存在静差。

加大Kp可以减小静差，但Kp过大时，会破坏系统的动态性能，甚至使闭环系统不稳定。

积分控制的优点是：

它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。

积分控制的缺点在于积分作用具有滞后特性。

如果积分控制作用太强就会使系统的动态性能变差，甚至使系统变得不稳定。

微分控制的优点是：

它能对误差进行微分，敏感于误差的变化趋势，增大微分控制可以加快系统响应，使超调量减小，增加系统稳定性。

它的缺点是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低

图7PID控制原理图

PID控制方法应用于直流无刷电机控制，其具有算法简单，工程实用性好等优点，但是由于无刷直流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，而PID控制算法本质上是一种线形控制方法，其鲁棒性较差，因此，进一步制约了高性能直流无刷电机的控制。

有非线性环节在建模时，通常都是略去系统高频动态性能，保留低频性能，建立系统的降阶模型。

利用系统降阶近似模型整定的PID控制参数，在实验室中也许是最优的，但运用到实际系统中时，往往又会面对下列情况。

[7]

3.4.2模糊控制技术

模糊控制方法是通过建立一定的模糊规则建立一定的模糊规则，利用模糊控制器来实现无刷直流电机的控制过程。

它的主要任务是：

先采集被控对象输出信号的精确值，然后将该信号与给定值相比较得到误差信号e，把误差信号e的精确值模糊化变成模糊量，从而得到误差e的模糊语言集合的一个子集E，此时E是一个模糊向量，最后，用E和模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策。

为了对被控对象实施精确的控制，还必须把模糊量转换为精确量（反模糊化）u去控制执行机构采取相应的动作,如图8所示。

[11]

模糊控制不需要建立分析对象的动态模型，并且在模糊规则设计得当的情况下，模糊控制具有良好的鲁棒性。

此外，模糊控制器设计比较简单，而且稳定性也较好。

图8模糊控制器的结构框图

模糊控制器用于电机调速，能提高系统的动态性能。

在多数场合，模糊控制器主要用于速度环，其结构如图9所示。

为给定速度，n为实测速度；模糊控制器的输入e为速度偏差，为速度偏差变化率；模糊控制器的输出作为电流调节器的给定值。

电机采用简单模糊控制器的例子较多，如：

应用Mamdani型模糊推理算法，采用低成本微处理器（80CL580）实现模糊控制器功能，对电机进行速度调节，以克服PI控制器在工作环境不稳或负载变化时，控制效果不佳的问题。

图9直流无刷电机模糊控制系统框图

但是，模糊控制应用于无刷直流电机的实际控制中，也存在着一定的问题，主要体现在众多的模糊变量以及隶属度函数的选择需要丰富的操纵经验；在实际应用中，调试时间往往有限；操作环境的复杂性，易变性，使得效果较好的专家经验知识难以得到，这些情况制约了模糊控制技术在无刷直流电机中的应用。

此外，模糊规则的复杂程度超过一定限度后，模糊控制器的设计就变得难以掌握和非常繁琐；而且单纯的模糊控制缺乏自适应自学习能力，当控制对象或控制目标超出一定范围后，其控制效果是不能够令人满意的。

[7,10]

3.4.3变结构控制技术

变结构控制方法是由前苏联学者欧曼尔扬诺夫、犹特金以及依特克斯等人于60年代初提出的一种控制方法。

主要应用于二阶和单输入高阶系统，并广泛应用在机器人控制、飞机和空间飞行器等系统。

上世纪70年代，开始研究状态空间线性系统，变结构控制方法得到丰富，其中带有滑动模态的变结构控制（滑模变结构控制/滑模控制）得到最广泛的研究，也是被认为是最有发展前途的。

滑模变结构控制中的滑动模态是指系统运动在某一子流上，迫使系统的状态轨迹沿着设计好的滑模面运动到平衡点（期望点），系统一旦进入滑动模态，在一定条件下就对外界干扰及参数扰动具有不变性，从而具有比鲁棒性更加优越的完全自适应性。

[2]

3.4.4神经网络控制技技术

神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度，模拟人脑神经系统的运作方式，使机器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。

对控制科学而言，神经网络有如下一些特点：

（1）神经网络是本质的非线性系统，能够充分逼近任意复杂的非线性关系。

（2）具有高度的自适应和自组织性，能够学习和适应严重不确定性系统的动态特

性。

（3）系统信息等势分布存贮在网络的各神经元及其连接权中，故有很强的鲁棒性

和容错能力。

（4）信息的并行处理方式使得快速进行大量运算成为可能。

因此，神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统的控制方面具有巨大潜力，成为智能控制发展的重要方向之一。

神经网络控制器目前主要是依靠数字计算机或微处理器的软件来实现网络的训练，这就限制了神经网络控制器只能用于低速的控制系统。

如果能够采用可编程硬件来实现神经网络控制，将具有推理速度快、实时性好等优点。

[8,12]

4总结

由于直流无刷电机的控制精度逐渐提高，对其的控制技术水平的要求也越来越高。

以前的电机驱动方式已经不能满足现今电机的控制要求，新型的正弦PWM驱动方法以其方便，快捷，调节范围宽的特点实现无刷直流电机快速，便捷的调控。

在有位置传感器检测技术的基础上衍生出来的简单便捷无位置传感器检测技术，但无位置传感器的无刷直流电机在启动方面仍存在着缺陷。

随着电力电子技术、高性能材料的发展、高性能微处理的出现，使一些复杂的控制技术得以实现。

相比传统的PID控制技术，模糊控制、变结构控制技术和神经网络控制技术，是一种非线性控制技术，控制精度高，鲁棒性强，但操作复杂，操作员需要丰富经验，当前的技术和工作人员根本不能完全满足这些要求。

而传统的PID控制设计方便简单，工程实用性强，是一种线性控制技术，因此，传统PID更适合于一般的直流无刷电机的控制。

在这个科技飞速发展的时代，随着我国自动化的不断深入，现有的控制技术已经无法满足自动化的需求，因此，急需一种方便，快捷，控制精度高的控制技术来对直流无刷电机进行控制。

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