永磁無刷直流電機控制技術研究及應用

吳高杰

摘 要 永磁無刷直流電機具有精度高、性能穩定、便于控制等優點，在精密儀器、機床、航空航天、汽車等領域具有廣泛的應用。本文系統闡述了無刷直流電機的基本結構和工作特點，分析了3種常用控制方法，最后對無刷直流電機的應用進行了探討。

關鍵詞 無刷直流電機；反電動勢法轉矩脈動控制；智能控制

中圖分類號 TM3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）163-0205-02

隨著材料科學的不斷進步，高性能的半導體元器件不斷問世，直接推動了電機的發展，如導磁材料磁性能不斷提升。同時，傳感器技術不斷發展，尤其是角位置傳感器的性能、精度及穩定性大幅度提高，有效提升了永磁直流無刷電機的控制精度。目前，永磁無刷直流電機具有效率高、耗能少的優點，其應用越來越廣泛，價格逐漸降低，是國家政策支持的綠色環保的高新技術項目，符合當今機電產品小型化、模塊化、智能化的要求，具有十分廣闊的應用前景。

1 無刷電機及其控制系統基本結構

無刷電機及其控制系統基本結構如圖1所示，由電機本體、位置傳感器、逆變器3部分組成。

永磁無刷直流電機的主要部件有轉子和定子，定子是電機的靜止部分，是由導磁的定子鐵芯、導電的電驅繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成。轉子是電機本體中轉動的部分，主要成分是硅鋼片，用來產生激磁。

永磁無刷直流電機的運動在于電機中逆變器功率器件依據電機轉子的位置變化產生不同的觸發變化，進而實現電機控制。因此，依據準確的位置反饋來進行逆變器的切換是永磁無刷直流電機控制的關鍵。

最常用、最直接地檢測轉子位置的器件是角位置傳感器，高精度、高可靠性的傳感器影響著整個電機的性能。目前，最常用的電機反饋傳感器是Hall傳感器，Hall傳感器屬于磁敏式傳感器，其性能優良、體積小、便于安裝、性價比較高，可以通過解調、電路控制等過程將傳感器的位置信號轉換成數字信號，為數字化控制及智能控制做準備。

2 永磁無刷直流電機控制技術

2.1 反電動勢法控制

某些不需要精確反饋控制、產品空間有限的場合可以省去位置傳感器，此時不是采用開環控制，而是利用電機自身的反電動勢來采集反饋信號，進行解調，進而控制電機。目前，反電動勢法是技術最成熟、應用最多的一種無位置檢測方法。

反電動勢法是基于各項反電勢隨各個轉子改變的電機控制技術。該方法將檢測獲得的反電動勢過零點信號延遲電角度30°，得到6個離散的轉子位置信號，為邏輯開關電路提供正確的換相信息，進而實現無刷直流電機的無位置傳感器控制。反電動勢法的關鍵是判斷反電動勢過零點的位置，業內學者提出了眾多檢測方法，如端電壓檢測法、反電動勢積分法、反電動勢三次諧波法等。

最簡單有效的方法是端電壓檢測法，通過測量不導通相的端電壓，與電機的繞組中點電壓進行比較，并對三相繞組進行分壓阻容濾波，計算出不導通相反電動勢的過零點位置，再經過延后一定時間進行下一步換相，從而達到控制電機的目的。

2.2 轉矩脈動控制

因為永磁無刷直流電機沒有電刷及換向器，只能在電機內部換相，所以電機在運行過程中必然產生轉矩脈動，產生轉矩脈動的因素主要有2方面：1）機械齒槽結構引起的轉矩脈動；2）電流換相引起的轉矩脈動。

齒槽引起的轉矩脈動可以采用定子斜槽或轉子斜極來實現，該方法簡單易行，但無法保證全部消除齒槽引起的轉矩脈動。最直接的方法是使用無槽結構電機，采用釹鐵硼等高磁能積稀土永磁材料有效抑制由齒槽引起的轉矩脈動，此方法的缺點是成本較高。

電流換相引起轉矩脈動，是電機運行過程中不可避免的，因為電機內各項繞組不斷變化，繞組每經過一個相點，繞組上的電流就會切換，從而產生電磁轉矩的脈動。抑制由電流換向引起的轉矩脈動的方法有電流反饋法、滯環電流法、重疊換向法、脈寬調制斬波法等。

2.3 智能控制

傳統的電機控制系統具有非線性、變參數、時滯性等缺點，不利于高性能、高精度電機的控制。因此，結合先進的控制理論和方法進行控制，可以有效解決上述問題。

隨著控制技術的發展，人工智能算法的研究及應用越來越廣泛，其中常用的人工智能算法包含人工神經網絡、模糊策略、遺傳算法、蟻群算法等，將永磁直流無刷電機的控制與人工智能算法結合，可以有效解決傳統控制方法的缺陷。人工智能算法對物理模型的要求較低，更適用于非線性問題，例如模糊控制理論就是基于人類基本活動的實踐經驗設計開發的。隨著計算機硬件技術的發展，高性能、集成化、小型化的單片機與DSP的出現為實現永磁無刷直流電機的人工智能控制創造了條件。但是，人工智能算法本身較復雜，需要考慮各種復雜條件，不斷地進行調試驗證，以保障電機的平穩、精確的運行。

3 永磁無刷直流電機的應用

3.1 汽車行業中的應用

汽車行業是工業產品的精華及先進技術應用的先驅，永磁無刷直流電機在其中的應用無處不在，汽車上的自動控制空調、前后調節的電動座椅、自動車門、雨刷器、安全氣囊、方向盤上的助力電機等等。另外，純電動車的驅動電機也采用永磁直流無刷電機。

3.2 航空航天領域的應用

永磁無刷直流電機在航空航天應用十分廣泛，如飛機機殼噴漆的多自由度機械手，飛機航電系統中各類自動駕駛設備中的控制電機，各類陀螺儀表，載人航天的艙門控制等等。因為航空航天需要高精度的控制及高速動態響應能力，所以此類電機采用閉環控制以及先進的控制算法。此外，航空航天領域對電機的可靠性、壽命、三防性能要求較高。

3.3 家用電器中的應用

無刷直流電機在家用電器領域應用十分廣泛，最典型的應用就是變頻空調，通過控制空調縮機的頻率，實現快速制冷、制熱，再根據室內溫度智能調節。為了降低空調的成本，簡化系統的配置，空調壓縮機中常采用無位置傳感器控制方式，采用合適的算法同樣可以達到伺服控制的目的，同時也減少了空調的體積。

4 結論

本文淺析了永磁直流無刷電機系統，介紹了電機本體、位置傳感器、逆變器的結構；分析了，3種常見的電機控制方法，每一種控制方法在工程應用中都較為常見，均有其優缺點及繼續提升的地方，最后本文介紹了永磁直流無刷電機在汽車、航空航天、家用電器領域的應用。本文對研究者全面認識直流無刷電機控制系統具有一定幫助，有利于后續深入研究。

參考文獻

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