永磁无刷直流电机控制技术研究及应用

吴高杰

摘 要 永磁无刷直流电机具有精度高、性能稳定、便于控制等优点，在精密仪器、机床、航空航天、汽车等领域具有广泛的应用。本文系统阐述了无刷直流电机的基本结构和工作特点，分析了3种常用控制方法，最后对无刷直流电机的应用进行了探讨。

关键词 无刷直流电机；反电动势法转矩脉动控制；智能控制

中图分类号 TM3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）163-0205-02

随着材料科学的不断进步，高性能的半导体元器件不断问世，直接推动了电机的发展，如导磁材料磁性能不断提升。同时，传感器技术不断发展，尤其是角位置传感器的性能、精度及稳定性大幅度提高，有效提升了永磁直流无刷电机的控制精度。目前，永磁无刷直流电机具有效率高、耗能少的优点，其应用越来越广泛，价格逐渐降低，是国家政策支持的绿色环保的高新技术项目，符合当今机电产品小型化、模块化、智能化的要求，具有十分广阔的应用前景。

1 无刷电机及其控制系统基本结构

无刷电机及其控制系统基本结构如图1所示，由电机本体、位置传感器、逆变器3部分组成。

永磁无刷直流电机的主要部件有转子和定子，定子是电机的静止部分，是由导磁的定子铁芯、导电的电驱绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。转子是电机本体中转动的部分，主要成分是硅钢片，用来产生激磁。

永磁无刷直流电机的运动在于电机中逆变器功率器件依据电机转子的位置变化产生不同的触发变化，进而实现电机控制。因此，依据准确的位置反馈来进行逆变器的切换是永磁无刷直流电机控制的关键。

最常用、最直接地检测转子位置的器件是角位置传感器，高精度、高可靠性的传感器影响着整个电机的性能。目前，最常用的电机反馈传感器是Hall传感器，Hall传感器属于磁敏式传感器，其性能优良、体积小、便于安装、性价比较高，可以通过解调、电路控制等过程将传感器的位置信号转换成数字信号，为数字化控制及智能控制做准备。

2 永磁无刷直流电机控制技术

2.1 反电动势法控制

某些不需要精确反馈控制、产品空间有限的场合可以省去位置传感器，此时不是采用开环控制，而是利用电机自身的反电动势来采集反馈信号，进行解调，进而控制电机。目前，反电动势法是技术最成熟、应用最多的一种无位置检测方法。

反电动势法是基于各项反电势随各个转子改变的电机控制技术。该方法将检测获得的反电动势过零点信号延迟电角度30°，得到6个离散的转子位置信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，进而实现无刷直流电机的无位置传感器控制。反电动势法的关键是判断反电动势过零点的位置，业内学者提出了众多检测方法，如端电压检测法、反电动势积分法、反电动势三次谐波法等。

最简单有效的方法是端电压检测法，通过测量不导通相的端电压，与电机的绕组中点电压进行比较，并对三相绕组进行分压阻容滤波，计算出不导通相反电动势的过零点位置，再经过延后一定时间进行下一步换相，从而达到控制电机的目的。

2.2 转矩脉动控制

因为永磁无刷直流电机没有电刷及换向器，只能在电机内部换相，所以电机在运行过程中必然产生转矩脉动，产生转矩脉动的因素主要有2方面：1）机械齿槽结构引起的转矩脉动；2）电流换相引起的转矩脉动。

齿槽引起的转矩脉动可以采用定子斜槽或转子斜极来实现，该方法简单易行，但无法保证全部消除齿槽引起的转矩脉动。最直接的方法是使用无槽结构电机，采用钕铁硼等高磁能积稀土永磁材料有效抑制由齿槽引起的转矩脉动，此方法的缺点是成本较高。

电流换相引起转矩脉动，是电机运行过程中不可避免的，因为电机内各项绕组不断变化，绕组每经过一个相点，绕组上的电流就会切换，从而产生电磁转矩的脉动。抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、脉宽调制斩波法等。

2.3 智能控制

传统的电机控制系统具有非线性、变参数、时滞性等缺点，不利于高性能、高精度电机的控制。因此，结合先进的控制理论和方法进行控制，可以有效解决上述问题。

随着控制技术的发展，人工智能算法的研究及应用越来越广泛，其中常用的人工智能算法包含人工神经网络、模糊策略、遗传算法、蚁群算法等，将永磁直流无刷电机的控制与人工智能算法结合，可以有效解决传统控制方法的缺陷。人工智能算法对物理模型的要求较低，更适用于非线性问题，例如模糊控制理论就是基于人类基本活动的实践经验设计开发的。随着计算机硬件技术的发展，高性能、集成化、小型化的单片机与DSP的出现为实现永磁无刷直流电机的人工智能控制创造了条件。但是，人工智能算法本身较复杂，需要考虑各种复杂条件，不断地进行调试验证，以保障电机的平稳、精确的运行。

3 永磁无刷直流电机的应用

3.1 汽车行业中的应用

汽车行业是工业产品的精华及先进技术应用的先驱，永磁无刷直流电机在其中的应用无处不在，汽车上的自动控制空调、前后调节的电动座椅、自动车门、雨刷器、安全气囊、方向盘上的助力电机等等。另外，纯电动车的驱动电机也采用永磁直流无刷电机。

3.2 航空航天领域的应用

永磁无刷直流电机在航空航天应用十分广泛，如飞机机壳喷漆的多自由度机械手，飞机航电系统中各类自动驾驶设备中的控制电机，各类陀螺仪表，载人航天的舱门控制等等。因为航空航天需要高精度的控制及高速动态响应能力，所以此类电机采用闭环控制以及先进的控制算法。此外，航空航天领域对电机的可靠性、寿命、三防性能要求较高。

3.3 家用电器中的应用

无刷直流电机在家用电器领域应用十分广泛，最典型的应用就是变频空调，通过控制空调缩机的频率，实现快速制冷、制热，再根据室内温度智能调节。为了降低空调的成本，简化系统的配置，空调压缩机中常采用无位置传感器控制方式，采用合适的算法同样可以达到伺服控制的目的，同时也减少了空调的体积。

4 结论

本文浅析了永磁直流无刷电机系统，介绍了电机本体、位置传感器、逆变器的结构；分析了，3种常见的电机控制方法，每一种控制方法在工程应用中都较为常见，均有其优缺点及继续提升的地方，最后本文介绍了永磁直流无刷电机在汽车、航空航天、家用电器领域的应用。本文对研究者全面认识直流无刷电机控制系统具有一定帮助，有利于后续深入研究。

参考文献

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