| 無刷直流電動機(jī)的控制及應(yīng)用 |
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引言
無換向器電動機(jī)是70年代迅速發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電動機(jī)。它是一種用半導(dǎo)體開關(guān)器件控制的變頻調(diào)速同步電動機(jī)；也或可認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作用的直流電動機(jī)。半導(dǎo)體器件可以是晶體管、晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管（GTO）等。為區(qū)別于一般的獨(dú)立變頻調(diào)速系統(tǒng)（其頻率由電動機(jī)外部控制），人們又稱這種調(diào)速系統(tǒng)為同步電動機(jī)的自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。
無換向器電動機(jī)根據(jù)所采用的控制元件和控制方式的不同而有多種結(jié)構(gòu)。一般低壓、小容量的無換向器電動機(jī)多是晶體管電動機(jī)，小型晶體管電動機(jī)在商業(yè)上通常稱為無刷直流電動機(jī)。而高壓、大容量的無換向器電動機(jī)則多為晶閘管電動機(jī)。
根據(jù)所采用的控制方式不同可分為直流無換向器電動機(jī)和交流無換向器電動機(jī)。直流無換向器電動機(jī)采用交-直-交控制系統(tǒng)或直-交控制系統(tǒng)，通常把50Hz的交流電整流成直流電或直接用直流電，由半導(dǎo)體變流器轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的交流電，供給同步電動機(jī)以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。交流無換向器電動機(jī)采用交-交控制系統(tǒng)，它是利用半導(dǎo)體變流器直接把半導(dǎo)體直接把50Hz的交流電轉(zhuǎn)變成為頻率可調(diào)的交流電，供給同步電動機(jī)以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。
無換向器電動機(jī)的特性和普通直流機(jī)十分相近，可在四個(gè)象限運(yùn)行，效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也相近。但它沒有電刷和換向器，因而比直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，容易做到低轉(zhuǎn)速大容量、高轉(zhuǎn)速大容量，調(diào)速方便，不失步，因而適用范圍廣泛。在易燃、易爆、高氣壓等環(huán)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(shè)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(jī)多用于風(fēng)機(jī)、水泵及壓縮機(jī)類調(diào)速和大型同步電動機(jī)、蓄能電站發(fā)電-電動機(jī)的起動。
交-交電壓型低速大容量無換向器電動機(jī)多用于大型軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)，水泥磨機(jī)等設(shè)備的調(diào)速傳動。
無刷直流電動機(jī)具有調(diào)速性能好、控制方法靈活多變、效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)、無換向火花、無無線電干擾、無勵(lì)磁損耗及運(yùn)行壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，由于永磁材料性能提高、制造成本價(jià)格下降、電力電子技術(shù)發(fā)展及對電機(jī)性能要求等因素的影響，無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。隨著大規(guī)模集成電路的普及，各具特色的無刷直流電動機(jī)專用集成電路控制芯片紛紛涌現(xiàn)，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(gè)裝置的調(diào)試工作量。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展，無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用將更加普及。
1、無換向器電動機(jī)的基本工作原理
無換向器電動機(jī)的基本工作原理如下圖1所示：
圖1 無換向器電動機(jī)原理圖
由上述原理圖可見，無換向器電動機(jī)相當(dāng)于有三個(gè)片的直流電動機(jī)，只不過換向是由晶閘管（或晶體管）來進(jìn)行的。它是一個(gè)受控于位置檢測器（PS）的自控式半導(dǎo)體變頻器和同步電動機(jī)（MS）組成的調(diào)速系統(tǒng)。由于電動機(jī)定子電樞電流是直接由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制的，這樣，電動機(jī)速度升高或降低時(shí)，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(zhuǎn)磁場速度隨之升高或降低，始終能夠保持與勵(lì)磁磁場相對位置不變的關(guān)系，因此這種電機(jī)不會有失步的問題。這是自控式同步電動機(jī)的特點(diǎn)，所以無換向器電動機(jī)又稱為頻率自控的同步電動機(jī)。
下面主要研究無刷直流電動機(jī)的控制方式及其應(yīng)用。
2、無刷直流電動機(jī)控制方法
2.1 無刷直流電動機(jī)的速度/位置控制
目前國內(nèi)外學(xué)者對無刷直流電動機(jī)的研究大多集中在其速度和位置控制技術(shù)上。無刷直流電動機(jī)速度伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖２所示，系統(tǒng)采用電流、速度雙閉環(huán)控制，電流環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制，速度環(huán)既可采用PI控制，也可根據(jù)運(yùn)行條件選擇合適的控制策略。無刷直流電動機(jī)位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)采用速度、位置雙閉環(huán)控制，速度環(huán)可采用速度伺服系統(tǒng)中的各種控制策略進(jìn)行控制，為了提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，位置環(huán)常采用變結(jié)構(gòu)控制。
圖2 無刷直流電動機(jī)速度伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 無刷直流電動機(jī)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2 無刷直流電動機(jī)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(jī)很長時(shí)間內(nèi)一直采用經(jīng)典PID控制，該控制方法可使系統(tǒng)性能滿足各種靜、動態(tài)指標(biāo)，但系統(tǒng)的魯棒性不盡人意。面對日益復(fù)雜的控制對象，為進(jìn)一步提高無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性，智能控制方法受到更多關(guān)注。近年來電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器(DSP)又成為另一被廣泛使用的控制方法，DSP實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)可以只用一片DSP代替單片機(jī)和各種接口，且DSP芯片有快速的運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法；可以通過高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級和擴(kuò)展；可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流的全數(shù)字化控制。
(1) PID控制
PID控制具有控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易整定的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。在設(shè)計(jì)PID控制器時(shí)，分析比較PID參數(shù)Kp，Ki ，Kd對系統(tǒng)的影響，通過參數(shù)的調(diào)整使系統(tǒng)的暫態(tài)特性達(dá)到最優(yōu)。在無刷直流電動機(jī)速度閉環(huán)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(shù)字量上、下限的影響易產(chǎn)生積分飽和而失去調(diào)解作用。而采用非線性變速積分PID算法時(shí)，可將PID控制器輸出限制在有效輸出范圍內(nèi)，避免其超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作范圍而發(fā)生飽和。這種算法消除了一般PID控制器算法中的飽和現(xiàn)象，使電機(jī)調(diào)速穩(wěn)定，并具有快速跟隨性， 同時(shí)也使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。
(2) 智能控制
智能控制是控制理論發(fā)展的高級階段，智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、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(fù)雜的問題。無刷直流電動機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)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(jī)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(fù)合控制器、模糊PID (PI)控制器、自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)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(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)有較好的魯棒性，但難以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，而PID控制方法可以很好地解決這一不足，若將兩者結(jié)合起來則系統(tǒng)同時(shí)兼有兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。在無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)采用經(jīng)典PI調(diào)節(jié)，速度環(huán)采用模糊控制和PID 混合結(jié)構(gòu)，將PID控制器分解為模糊PD控制器和傳統(tǒng)的積分環(huán)節(jié)，既保留了經(jīng)典PID控制器的特性，又增加了模糊PD控制器快速響應(yīng)的特點(diǎn)，做到了響應(yīng)快和靜態(tài)無誤差，完善了PID功能。傳統(tǒng)的PID控制要想取得好的控制效果就必須調(diào)整好比例、積分、微分系數(shù)之間的關(guān)系，使它們既相互配合又相互制約。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有任意非線性表示能力，可以通過學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的P ID控制，針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在大誤差范圍內(nèi)電流過早退飽和，不利于響應(yīng)快速性的缺點(diǎn)，加入模糊控制來改善性能，提高響應(yīng)的快速性。在P ID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上結(jié)合模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)神經(jīng)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(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (NN)的輸入進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，從而達(dá)到性能指標(biāo)39的最優(yōu)化。圖4所示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，由基于模糊自適應(yīng)理論設(shè)計(jì)的控制器來代替PI速度調(diào)節(jié)器。模糊自適應(yīng)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(shù)可調(diào)的模糊基函數(shù)表示，模糊辨識器根據(jù)辨識得到的估計(jì)輸出與被控對象實(shí)際輸出之差在線實(shí)時(shí)調(diào)整， 并同時(shí)預(yù)測被控對象的輸出�；谏窠�(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和小波變換檢測故障的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)，采用三層前饋式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)電流、電壓的雙閉環(huán)控制，利用離線和在線訓(xùn)練結(jié)合方式對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，通過在線學(xué)習(xí)能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，對擾動和參數(shù)變化進(jìn)行有效的抑制補(bǔ)償。利用離散小波變換的時(shí)域特性和連續(xù)小波變換檢測信號邊沿的原理進(jìn)行無刷直流電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)的檢測，可以有效地提高控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度和可靠性。
(3) 無傳感器控制
從控制系統(tǒng)的成本、維護(hù)性、可靠性等方面考慮，無傳感器的傳動系統(tǒng)對提高系統(tǒng)的可靠性具有更重要的意義，成為近年的研究熱點(diǎn)。無傳感器控制技術(shù)的關(guān)鍵在于速度/位置的觀測與估計(jì)。由于無刷直流電動機(jī)在任意時(shí)刻，定子的三相繞組只有兩相繞組同時(shí)有勵(lì)磁電流，而另外一相繞組的感應(yīng)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(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行成了關(guān)鍵問題。電機(jī)在不同的工作頻率、啟動及過流狀態(tài)下需要滿足一定的穩(wěn)定運(yùn)行條件， PLL鎖相環(huán)以及PWM速度反饋網(wǎng)絡(luò)也會影響電機(jī)工作的穩(wěn)定性。無位置傳感器無刷直流電動機(jī)的鎖相穩(wěn)速控制方法可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的高精度穩(wěn)速控制，既無需檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的傳感器，也不用檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速的光電碼盤，而是由電機(jī)電樞繞組的反電動勢經(jīng)整形后直接作為轉(zhuǎn)速反饋信號，系統(tǒng)一經(jīng)鎖定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就跟隨參考信號的頻率變化，其穩(wěn)速精度達(dá)到與晶體振蕩器提供頻率一樣的穩(wěn)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(jī)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋以及電壓負(fù)反饋加電流正反饋三種調(diào)速方法。開環(huán)方式適合于轉(zhuǎn)速精度要求不高的場合，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋方式適合于機(jī)械特性要求比較硬、轉(zhuǎn)速精度要求比較高的場合，而電壓負(fù)反饋電流正反饋方式則應(yīng)用于動態(tài)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(jī)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(jī)控制系統(tǒng)中，一片DSP就可代替單片機(jī)和各種接口，且由于DSP芯片的快速運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更智能化的算法；可以通過高速網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行系統(tǒng)升級和擴(kuò)展；可以實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制，可以方便地通過SC I接口的擴(kuò)展能力與上位機(jī)進(jìn)行通訊，組成多機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以TMS320LF2407為核心的永磁無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括PWM斬波電路結(jié)構(gòu)及功率開關(guān)器件的選擇，驅(qū)動電路，保護(hù)電路，及軟件編程。利用TMS320LF2407的運(yùn)動控制接口形成單片DSP控制的電機(jī)系統(tǒng)，使用霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，形成電子換向邏輯，通過數(shù)字P I速度和電流控制器控制電機(jī)速度。實(shí)驗(yàn)證明使用DSP實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)控制，不僅比傳統(tǒng)的模擬電路成本低，而且結(jié)構(gòu)簡單，方便擴(kuò)展�；� TMS320LF2407DSP數(shù)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用P I控制算法提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制精度，可以實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的無級調(diào)速。
2.3 無刷直流電動機(jī)的制造材料
無刷直流電動機(jī)的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子采用永磁材料。永磁材料的使用，大大減小了無刷電動機(jī)的重量、簡化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可靠性得以提高。無刷電動機(jī)與永磁材料的發(fā)展是分不開的，磁性材料經(jīng)歷了鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼(NdFeB)等幾個(gè)階段。釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用，進(jìn)一步減少了電機(jī)的用銅量，促使無刷電機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能的方向發(fā)展。但隨著永磁電機(jī)的發(fā)展，仍有磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、驅(qū)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(shí)的幾何狀態(tài)對無刷直流電動機(jī)的影響是很大的，選取以不同方式磁化的永磁體進(jìn)行研究時(shí)，由于磁化方式不同，每塊永磁體都產(chǎn)生了獨(dú)特的磁域。另外永磁體磁化的幾何結(jié)構(gòu)對永磁體性能有極大的影響。無刷直流電動機(jī)在不同磁化狀態(tài)下有不同的性能，例如矩形磁化狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩會引發(fā)低電流，而正弦磁化產(chǎn)生的磁化電流最小，可使無刷直流電動機(jī)具有最好的機(jī)械特性。在實(shí)際應(yīng)用中如何減小電機(jī)的體積是迫切需要解決的問題，大量的分析比較實(shí)驗(yàn)證明可以通過使用永磁體或者改進(jìn)繞組方法來達(dá)到這個(gè)目的。
3、無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用
無刷直流電動機(jī)是一種新型的直流電動機(jī)，與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，無刷直流電動機(jī)具有優(yōu)越的性能，在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
① 在精密電子設(shè)備和器械中的應(yīng)用
用來存放各種信息數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)外存設(shè)備，其各種存儲器的主軸電動機(jī)均采用高檔精密無刷直流電動機(jī)，特別是用于硬盤驅(qū)動器的主軸電機(jī)，能懸浮于盤片上下兩側(cè)以高速驅(qū)動磁盤穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，這對無刷直流電動機(jī)零部件和裝配精度提出了很高要求。無刷直流電動機(jī)還廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、衛(wèi)星太陽能帆板驅(qū)動、醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備等領(lǐng)域。
② 在家用電器中的應(yīng)用
近年來的變頻式空調(diào)機(jī)中使用了多臺無極調(diào)速無刷直流電動機(jī)。無論是壓縮機(jī)拖動，還是在風(fēng)機(jī)、加濕機(jī)中，都逐步采用無刷直流電動機(jī)拖動方式，既提高機(jī)械可靠性，又降低成本。此外在熱水器、吸塵器、洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、攪拌機(jī)中使用無刷直流電動機(jī)可實(shí)現(xiàn)多功能自動操作，提高家電產(chǎn)品的自動化程度和效率。
③ 在工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用
許多工業(yè)系統(tǒng)中，往往需要能精確定位又要快速動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這些系統(tǒng)中采用無刷直流電動機(jī)的伺服控制，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且大大改善了產(chǎn)品質(zhì)量，例如，在毛巾印花機(jī)中，采用兩套帶光學(xué)編碼器的無刷直流電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)，定位準(zhǔn)確，印花清晰，生產(chǎn)效率大大提高。無刷直流電動機(jī)還廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域，如航空工業(yè)、軍事國防等等�，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用促使許多新型交流伺服電機(jī)控制方法誕生，交流伺服電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對象，僅僅采用一般的控制方法，很難達(dá)到較高的性能要求。由于無刷直流電動機(jī)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，更適合于高性能的交流伺服系統(tǒng)，因此對無刷直流電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)控制策略及應(yīng)用的研究具有重要的價(jià)值和意義。
4、總結(jié)
總之，相對于其它類型電動機(jī)，無刷直流電動機(jī)是一種新型電動機(jī)，有著更優(yōu)越的性能。無刷直流電動機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，是多學(xué)科技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的驅(qū)動、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)。本文總結(jié)了國內(nèi)外直流無刷電動機(jī)各種控制技術(shù)，主要集中在傳統(tǒng)PID控制算法、無位置傳感器算法、智能控制策略和電機(jī)專用DSP控制器上，電機(jī)的控制技術(shù)是在不斷進(jìn)步，我們需要不斷探索無刷直流電動機(jī)控制的新方法。 |
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