無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制的研究進(jìn)展

王競(jìng)博

（南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210023）

0 引言

與有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)[1]具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低和可靠性好等優(yōu)勢(shì)，因此在航空航天、家用電器和電動(dòng)交通工具等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)降低了系統(tǒng)硬件成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，大大拓展了無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍。無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)可分為兩個(gè)部分：轉(zhuǎn)子位置估計(jì)和電機(jī)控制，提高轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)精度和電機(jī)控制的性能是改善系統(tǒng)運(yùn)行狀況的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法和電機(jī)控制算法領(lǐng)域的研究均取得了諸多進(jìn)展，本文總結(jié)了兩個(gè)領(lǐng)域的最新成果，包括各種算法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，可為工程設(shè)計(jì)人員提供有價(jià)值的參考。

1 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法

目前，常用的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法包括反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、電感法和觀測(cè)器法。其中，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法可細(xì)分為反電動(dòng)勢(shì)過零法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、續(xù)流二極管法和三次諧波法，觀測(cè)器法可細(xì)分為卡爾曼濾波法、滑模觀測(cè)器法。近年來，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者經(jīng)過細(xì)致研究，對(duì)上述方法做出了有意義的改進(jìn)，下面介紹各方法的研究進(jìn)展。

文獻(xiàn)[2]在傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，提出了基于線電壓的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)估計(jì)方法。該方法通過檢測(cè)電機(jī)任意兩相線電壓，經(jīng)過計(jì)算得到懸空相的反電動(dòng)勢(shì)過零時(shí)刻，再延遲30°的電角度即可得到換相點(diǎn)。此外，文獻(xiàn)[3]分析了該方法在不同PWM調(diào)制模式下懸空相的續(xù)流情況，指出在雙管調(diào)制下懸空相無續(xù)流，而在單管調(diào)制模式下懸空相存在續(xù)流的結(jié)論，因此該方法僅適用于雙管調(diào)制模式。與傳統(tǒng)反電勢(shì)過零法相比，該方法不用重構(gòu)電機(jī)中點(diǎn)，無需深度濾波，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度較高。

文獻(xiàn)[4]在傳統(tǒng)續(xù)流二極管法的基礎(chǔ)上，提出了一種帶互補(bǔ)補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)續(xù)流二極管法。傳統(tǒng)的續(xù)流二極管法由于功率器件存在壓降和相位延遲，因此得到的換相點(diǎn)存在誤差，而改進(jìn)的方法通過改變PWM的調(diào)制模式避免了這一缺陷。通過搭建PSPice仿真模型，驗(yàn)證了此方法能夠有效檢測(cè)出換相時(shí)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

文獻(xiàn)[5]在傳統(tǒng)電感法和反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，提出了間接電感法，解決了電機(jī)低速和靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問題。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了該方法與電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，并指出該方法對(duì)于三角型連接的無刷直流電機(jī)以及常見的星型連接無中性點(diǎn)引出線的無刷直流電機(jī)同樣有效，因此大大擴(kuò)展了間接電感法的應(yīng)用范圍。

文獻(xiàn)[6]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，指出傳統(tǒng)的三次諧波方法存在自同步切換失敗的情況。在此基礎(chǔ)上，作者提出了基于三次諧波檢測(cè)和A相過零點(diǎn)檢測(cè)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行定位的新方法。通過搭建位置信號(hào)檢測(cè)電路，基于DSP實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出換相點(diǎn)，位置檢測(cè)的精度和可靠性得到了增強(qiáng)。

文獻(xiàn)[7]針對(duì)卡爾曼濾波器法位置估計(jì)結(jié)果易發(fā)散的問題，提出了帶有衰減記憶的卡爾曼濾波器法。作者以相電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置為狀態(tài)變量建立了狀態(tài)方程，通過優(yōu)化卡爾曼濾波增益來降低累積誤差。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在不同的運(yùn)行狀況下均能提供準(zhǔn)確的換相信號(hào)，系統(tǒng)發(fā)散問題得到了解決，提高了系統(tǒng)的魯棒性。

文獻(xiàn)[8]提出了基于雙曲正切函數(shù)的滑模觀測(cè)器法，與基于符號(hào)函數(shù)的滑模觀測(cè)器法相比，系統(tǒng)的陡振顯著降低。由于雙曲正切函數(shù)是光滑的連續(xù)曲線，因此控制系統(tǒng)不必外加低通濾波器和相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)就能夠得到線反電動(dòng)勢(shì)的估計(jì)值，提高了估計(jì)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確得到換相點(diǎn)。此外，文獻(xiàn)[9]提出了基于飽和函數(shù)的滑模觀測(cè)器法，以相電流的量測(cè)值與觀測(cè)值之差作為滑模面，再根據(jù)反向電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)邊界層的厚度，有效降低了系統(tǒng)的陡振。

2 無刷直流電機(jī)控制算法

在無刷直流電機(jī)控制方面，傳統(tǒng)的控制方法是將無刷電機(jī)看作線性定常系統(tǒng)，利用經(jīng)典PID控制理論設(shè)計(jì)控制算法。然而，由于負(fù)載變化、外界擾動(dòng)、摩擦阻尼以及磁場(chǎng)非線性的影響，無刷電機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上是非線性的多變量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的PID控制器參數(shù)是固定的，對(duì)工況變化的適應(yīng)性較差，通常需要人為地不斷整定。隨著控制器處理速度的加快，通過設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制算法提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性成為可能。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞無刷直流電機(jī)控制，開展了模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測(cè)控制等一系列研究，取得了顯著的成果。本文將介紹各種控制算法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了模糊PID無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器，仿真表明，與傳統(tǒng)的PID控制相比，該方法降低了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。在此基礎(chǔ)上，又設(shè)計(jì)了模糊PD+模糊ID控制相結(jié)合的控制器，仿真表明該方法提高了系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，并且在消除轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差方面具有顯著的優(yōu)越性，為實(shí)際應(yīng)用提供了有效的理論依據(jù)。

文獻(xiàn)[11]基于波波夫（Popov）超穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制器，該控制器以期望系統(tǒng)模型為參考模型，以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為未知參數(shù)，采用非線性自適應(yīng)控制律使實(shí)際模型與參考模型的輸出一致，從而保證系統(tǒng)滿足性能要求。仿真結(jié)果表明，采用該控制器時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在啟動(dòng)、負(fù)載變化的情況下，波動(dòng)明顯減小，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

文獻(xiàn)[12]為了解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢的缺陷，將具有免疫反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器應(yīng)用于無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制當(dāng)中。通過利用免疫反饋規(guī)則調(diào)節(jié)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率，成功加快了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)響應(yīng)變快、超調(diào)量減小，并且對(duì)電機(jī)參數(shù)變化具有一定的自適應(yīng)性。此外，文獻(xiàn)[13]為了解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制存在的功率管誤導(dǎo)通問題，提出了利用粒子群（PSO）優(yōu)化算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而用于無刷直流電機(jī)控制的方法。仿真表明，該方法能夠取得滿意的效果。

文獻(xiàn)[14]針對(duì)無刷直流電機(jī)換相時(shí)轉(zhuǎn)矩存在波動(dòng)的問題，提出了將無模型控制與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的控制方法。該方法將無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的泛模型作為預(yù)測(cè)模型，通過代價(jià)函數(shù)選擇最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)，從而保持非換相的電流恒定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效抑制電機(jī)換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并且控制器設(shè)計(jì)過程對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性較低，算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[15]針對(duì)工業(yè)電鉆轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制效果差的問題，提出了無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制策略。在該控制策略下，當(dāng)用戶設(shè)定轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，首先控制轉(zhuǎn)矩保持設(shè)定轉(zhuǎn)矩不變，則電機(jī)轉(zhuǎn)速將逐漸增加，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速上限時(shí)，再控制轉(zhuǎn)速不變，直至電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩；當(dāng)用戶設(shè)定轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速將逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速下限時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息，電機(jī)轉(zhuǎn)速將降低至零速；當(dāng)用戶設(shè)定轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不變。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制策略的正確性。

文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)自抗擾速度控制器，自抗擾技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的不確定性因素以及外界擾動(dòng)均具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該控制方法的無刷直流電機(jī)速度響應(yīng)較快、超調(diào)較小，具有較強(qiáng)的工程適用性。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)的研究進(jìn)展，包括轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法和電機(jī)控制方法。其中，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法的研究進(jìn)展主要是對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)，提高了位置估計(jì)精度，拓展了應(yīng)用范圍。電機(jī)控制方法的研究進(jìn)展主要是將新型控制算法應(yīng)用于無刷直流電機(jī)控制，改善了控制系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)能力，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［參考文獻(xiàn)］

[1]夏長(zhǎng)亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009：1-20.

[2]李自成，程善美，蔡凱，等.反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（7）：52-58.

[3]賀曦，廖勇.基于線電壓差值的無位置傳感器無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)[J].微電機(jī)，2013，46（3）：33-37.

[4]吳一欣，焦振宏.一種改進(jìn)的檢測(cè)無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置方法[J].微特電機(jī)，2009，37（2）：14-15，19.

[5]王華斌.基于間接電感法的永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制[D].重慶：重慶大學(xué)，2009.

[6]曹寬，萬彥輝，王京鋒，等.一種改進(jìn)三次諧波法的無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制[J].微特電機(jī)，2013，41（3）：40-43.

[7]詹國(guó)兵.基于衰減記憶卡爾曼濾波的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)[J].微特電機(jī)，2017，45（5）：32-35，39.

[8]史婷娜，肖竹欣，肖有文，等.基于改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（8）：2043-2051.

[9]焦曉雷.基于準(zhǔn)滑模觀測(cè)器的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

[10]丁磊磊.基于模糊控制的直流無刷電機(jī)控制方法的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2013.

[11]劉光亞，閔杰.無刷直流電機(jī)參考模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，31（2）：73-76.

[12]夏長(zhǎng)亮，劉丹，王迎發(fā).無刷直流電機(jī)免疫反饋?zhàn)赃m應(yīng)學(xué)習(xí)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，40（10）：1235-1240.

[13]王新，候風(fēng)艷.基于改進(jìn)的PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無刷直流電機(jī)控制[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017，40（2）：10-14.

[14]史婷娜，李聰，姜國(guó)凱，等.基于無模型預(yù)測(cè)控制的無刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（15）：54-61.

[15]王曉丹.無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[16]李曉坤.永磁無刷直流電機(jī)速度環(huán)自抗擾控制[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.