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| 無刷直流電動機(jī)控制中的幾個技術(shù)問題分析（zxj） |
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摘要：在簡要介紹無刷直流電動機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對無刷直流電動機(jī)在上業(yè)控制中而臨的幾個技術(shù)問題進(jìn)行了討論和分析，指出了目前依然存在的不足和今后的主要研究目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；正弦波驅(qū)動；無位置傳感器控制0 引 言永磁無刷直流電動機(jī)nr分為方波和正弦波兩種，大多數(shù)學(xué)者傾向于將前者認(rèn)為是無刷直流電動機(jī)(BLDcM)，將后者稱之為永磁同步電動機(jī)(PMsM)隨著先進(jìn)數(shù)字集成控制芯片(如DsP、cPLD)的普及和人們對水磁無刷直流電動機(jī)認(rèn)識的不斷提高，永磁無刷直流電動機(jī)在工業(yè)上的研究與應(yīng)用不斷升溫。
一些企業(yè)在部分產(chǎn)品上已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。
近幾年來，在工業(yè)應(yīng)用的不同場合，針對無刷直流電動機(jī)控制器的要求不斷提高，在具體應(yīng)用的過程中，其控制技術(shù)也在不斷成熟。為了擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域，許多技術(shù)問題仍需不斷進(jìn)行深入的研究，如：影響控制器開關(guān)損耗和轉(zhuǎn)矩脈動的PwM斬波方式，抑制轉(zhuǎn)矩脈動和音頻噪聲的正弦波驅(qū)動技術(shù)，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵或壓縮機(jī)巾的無位置傳感器控制技術(shù)，應(yīng)用于航空航滅領(lǐng)域高可靠性場合中的故障分析和保護(hù)技術(shù)，應(yīng)用十高精度跟蹤領(lǐng)域的無刷直流電動機(jī)伺服控制技術(shù)，以及微電機(jī)的多功能模塊化技術(shù)等等。
本文締合工業(yè)應(yīng)用中無刷直流電動機(jī)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對以上問題給出了一些總結(jié)與分析，并就一些還需要進(jìn)一步研究的問題，指出了技術(shù)難點(diǎn)所在和今后的研究目標(biāo)。
1無刷直流電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀目前，工業(yè)上應(yīng)用和研究最多的仍然是三相Y形稀土永磁無刷直流電動機(jī)，而且大多數(shù)采用了釹鐵硼稀土永磁體勵磁，其驅(qū)動電路電多采用三相橋式逆變器，并工作于120三相六狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
由于采用了稀土永磁勵磁，電機(jī)的氣隙磁場很難進(jìn)行弱磁控制(如果采用開通角移相，其控制比較復(fù)雜，應(yīng)用場合較少)，所以一班永磁無刷直流電動機(jī)都采用了改變PWM占空比的定頻調(diào)寬技術(shù)來進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速，當(dāng)然這種調(diào)速方式是一種恒轉(zhuǎn)矩連續(xù)調(diào)速。
眾所周知，無刷直流電動機(jī)的****缺點(diǎn)是存在轉(zhuǎn)矩脈動，尤其在低速運(yùn)行時，這是因為無刷直流電機(jī)從原理上講相當(dāng)于只有三個換向片的直流電動機(jī)，針對這一先天性缺陷，人們試圖從電機(jī)和控制器兩力、面人手來解決這一問題，但仍未從根本上使其與永磁同步電動機(jī)的性能相比。
無刷直流電動機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，主要還是緣于采用功率電子換相替代了機(jī)械換向器和電刷后所帶米的種種優(yōu)越性。但這種機(jī)電一體化電機(jī)系統(tǒng)****的好處還是在不增加太多硬件電路資源的情況下，控制器很容易通過電機(jī)自身所固有的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號，間接檢測轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，因為這種閉環(huán)控制大人改變了電機(jī)輸出的機(jī)械特性。盡管這樣，由于低速轉(zhuǎn)矩脈動的存在，無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍不大、控制精度不高，其低速控制性能仍有待提升。 、與永磁同步電動機(jī)的正弦波驅(qū)動相比，正是由F無刷直流電動機(jī)控制簡單、成本低，所以下列技術(shù)問題一直在研究，并在工程中不斷得到完善。
2無刷直流電機(jī)控制技術(shù)的研究2．1 PwM斬波方式通常，PwM斬波方式有多種選擇，但近些年上下全斬的方式基本上被淘汰，比較常用還是上斬下不斬、F斬上不斬或者上下輪斬。這些PWM斬波方式，其目的都是為了降低開關(guān)損耗，均衡逆變器功率管的發(fā)熱，或者通過改變逆變器的續(xù)流路徑來降低直流母線上的電壓尖峰等等。為了真正地提高PwM的開關(guān)頻率而又不增加開關(guān)損耗，在功率拓?fù)涞呢樟鳝h(huán)節(jié)巾增加諧振電路，可為后級三相逆變器功率管的開通／關(guān)斷創(chuàng)建良好的軟開關(guān)環(huán)境，但這種方案控制復(fù)雜，工程仍使用不多。
另外，不同的PwM斬波方式，逆變器的續(xù)流路徑小一樣，其卡R電流脈動大小不一樣，則轉(zhuǎn)矩脈動也就不一樣，所以良好的斬波方式有利_f無刷直流電機(jī)系統(tǒng)性能的改善。、2．2正弦波驅(qū)動技術(shù)無刷隨流電機(jī)采用方波電流驅(qū)動時，其電磁轉(zhuǎn)矩由基波和諧波電流分量共同產(chǎn)生，方波電流驅(qū)動在增大電機(jī)出力的同時，其換相轉(zhuǎn)矩脈動和音頻噪聲也在增人，低速段尤為明顯。如果九刷直流電機(jī)的梯形波反電勢平頂寬度較小時，只要相電壓為正弦，所產(chǎn)牛的電流也具有較好的正弦性，基于此，一種利用轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器信號，在不改變電機(jī)控制器已有硬件電路的前提下，通過空間矢量脈寬調(diào)制(svPwM)算法，即可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的正弦波驅(qū)動，而且在小功率電機(jī)中獲得了比較滿意的麻用。
該方法不僅町有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動和音頻噪聲，而且較正弦脈寬調(diào)制(sPwM)算法具有更高的電壓利用率。與方波驅(qū)動相比，又很好地規(guī)避了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大、音頻噪聲高的缺點(diǎn)，也無需高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器(如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等)，其性價比較高。
2．3無位置傳感器控制技術(shù)為了減少電機(jī)與控制器之間的連接線，提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，人們希望采用無位置傳感器控制技術(shù)。有時由于電機(jī)比較細(xì)長，即使采用霍爾元件的轉(zhuǎn)子位置傳感器也沒有安裝空間，這時人們也會想到使用無位置傳感器控制。
其實(shí)無刷直流電動機(jī)的無位置傳感器技術(shù)在學(xué)術(shù)界一直在研究，而且已取得了很多成果，目前采用端電壓過零檢測的方法與基于繞組相反電勢過零檢測的方法相比，雖然無需控制電路再進(jìn)行30。的移相處理，但還需要進(jìn)行“二段式”起動運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，而且其控制單元一般多采用微處理器、由于這種“三段式”方法依然需要先對電機(jī)停機(jī)后的任意轉(zhuǎn)子進(jìn)行初始定位，因此帶滿載起動就較為困難，一般只能應(yīng)用于低起動轉(zhuǎn)矩的場合，如風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載。
另外，在低壓大電流供電體制下，電機(jī)盡管帶動的也是風(fēng)機(jī)或泵類負(fù)載，起動轉(zhuǎn)矩不大，但電機(jī)額定運(yùn)行后在PwM斬波時較大的電流硬開關(guān)通／斷控制，仍然會使轉(zhuǎn)子位置的問接檢測存在較高的干擾，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測不準(zhǔn)，使其性能變差。
如果采用硬件濾波技術(shù)，由于濾波器的參數(shù)選取不能很好的適應(yīng)全部速度范圍，因此這一問題仍需進(jìn)一步研究。
2．4故障分析與保護(hù)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域，機(jī)載電動系統(tǒng)常常負(fù)擔(dān)著飛行器重要的控制動作，如電動舵機(jī)、燃油泵、電動活門、力臂調(diào)節(jié)器、發(fā)動機(jī)油門桿等。這就要求對其故障模式、故障機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并進(jìn)行必要故障診斷和保護(hù)。
目前，該方面的研究主要表現(xiàn)為電機(jī)缺相的準(zhǔn)確檢測、功率逆變器直流母線尖峰電壓和尖峰電流的有效吸收、相電流幅值的快速抑制，以及轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器的故障和備份等．有時，對于控制器中的薄弱環(huán)節(jié)還需要進(jìn)行必要的冗余設(shè)計，以解決當(dāng)前元器件水平確因無法滿足所帶來的可靠性指標(biāo)達(dá)不到要求的問題。但是，無刷直流電機(jī)的余度控制卻又面臨著信號紛爭、余度均衡和余度的管理等諸多問題，其理論研究還需深入地進(jìn)行。
2．5高精度伺服控制技術(shù)當(dāng)無刷直流電動機(jī)經(jīng)過比較大的減速器后，無刷直流電動機(jī)的低轉(zhuǎn)速脈動問題對負(fù)載來說有所緩解，在高精度的伺服控制系統(tǒng)中，雖然采用r位置、轉(zhuǎn)速、電流三閉環(huán)控制，但系統(tǒng)的低速靈敏度依然不高。豐要是兇為無刷卣流電動機(jī)存在低速轉(zhuǎn)矩脈動，導(dǎo)致零位附近出現(xiàn)振蕩，影響了無刷直流伺服系統(tǒng)的低速跟蹤性能。所以在高精度直驅(qū)式伺服系統(tǒng)中，盡管需要高分辨率的位置速度傳感器，而日控制算法復(fù)雜，但人們依然愿意采用永磁同步電動機(jī)的矢量控制，如高精度機(jī)床給進(jìn)、機(jī)器人的運(yùn)動控制等。
為了避免永磁同步電動機(jī)的矢量控制運(yùn)算的復(fù)雜程度，將轉(zhuǎn)子霍爾位鷲傳感器用單通道無刷旋轉(zhuǎn)變壓器代替，可有效改善無刷直流電動機(jī)的低速伺服性能，而且這種傳感器不但包含了位囂和速度信息，同時還可用于無刷直流電機(jī)的電子換相。由于‘P通道兀刷旋轉(zhuǎn)變壓器低成本，兇此這種方法受到很多技術(shù)人員的青睞。
2．6多功能模塊化技術(shù)受體積限制和基于可靠性的提高，無刷直流微特電機(jī)的模塊化技術(shù)得到發(fā)展，出現(xiàn)r集速度閉環(huán)、電流保護(hù)、60。／120。導(dǎo)通方式選擇、帶制動功能、使能控制的多功能驅(qū)動模塊，有些模塊通過改變連接方式，還可驅(qū)動自流微特電動機(jī)．．目前借助外帶散熱器，峰值驅(qū)動電流達(dá)30 A的驅(qū)動模塊，其體積甚全只有半磚大小，但這些模塊絕大多數(shù)使用典型值為24 V(使用范圍18～36 v)的低壓直流電源，僅適應(yīng)無刷直流微特電機(jī)。而在航空領(lǐng)域，基丁270 v功率1 kw以下的無刪直流電機(jī)驅(qū)動模塊由于其市場需求，非常值得深入研究和工程化開發(fā)。
3結(jié)語根據(jù)以上分析，無刷直流電動機(jī)****用于功率型驅(qū)動場合，如拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。相比普通的直流電動機(jī)，其功率等級和轉(zhuǎn)速可以做得比較高；但在高精度伺服控制和寬范圍調(diào)速領(lǐng)域，****采用控制算法相對復(fù)雜的永磁同步電機(jī)矢量控制。另外基1：
多功能的驅(qū)動模塊非常值得研究，這有利于無刷直流電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化． |
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