无刷直流电机无位置传感器控制的研究进展

王竞博

（南京邮电大学自动化学院，江苏南京210023）

0 引言

与有刷直流电机相比，无刷直流电机[1]具有结构简单、效率高、成本低和可靠性好等优势，因此在航空航天、家用电器和电动交通工具等领域得到了广泛的应用。无刷直流电机无位置传感器控制技术降低了系统硬件成本，简化了设计，大大拓展了无刷直流电机的应用范围。无刷直流电机无位置传感器控制技术可分为两个部分：转子位置估计和电机控制，提高转子位置的估计精度和电机控制的性能是改善系统运行状况的关键。

目前，国内外专家学者在转子位置估计算法和电机控制算法领域的研究均取得了诸多进展，本文总结了两个领域的最新成果，包括各种算法的原理、优缺点和应用范围，可为工程设计人员提供有价值的参考。

1 无刷直流电机转子位置估计算法

目前，常用的无刷直流电机转子位置估计算法包括反电动势检测法、电感法和观测器法。其中，反电动势检测法可细分为反电动势过零法、反电动势积分法、续流二极管法和三次谐波法，观测器法可细分为卡尔曼滤波法、滑模观测器法。近年来，国内外专家学者经过细致研究，对上述方法做出了有意义的改进，下面介绍各方法的研究进展。

文献[2]在传统的反电动势过零检测法的基础上，提出了基于线电压的无刷直流电机转子位置实时估计方法。该方法通过检测电机任意两相线电压，经过计算得到悬空相的反电动势过零时刻，再延迟30°的电角度即可得到换相点。此外，文献[3]分析了该方法在不同PWM调制模式下悬空相的续流情况，指出在双管调制下悬空相无续流，而在单管调制模式下悬空相存在续流的结论，因此该方法仅适用于双管调制模式。与传统反电势过零法相比，该方法不用重构电机中点，无需深度滤波，因此结构简单，灵敏度较高。

文献[4]在传统续流二极管法的基础上，提出了一种带互补补偿的改进续流二极管法。传统的续流二极管法由于功率器件存在压降和相位延迟，因此得到的换相点存在误差，而改进的方法通过改变PWM的调制模式避免了这一缺陷。通过搭建PSPice仿真模型，验证了此方法能够有效检测出换相时的转子位置信号。

文献[5]在传统电感法和反电动势检测法的基础上，提出了间接电感法，解决了电机低速和静止状态下转子位置的检测问题。通过理论分析和实验测试证明了该方法与电机转速无关，并指出该方法对于三角型连接的无刷直流电机以及常见的星型连接无中性点引出线的无刷直流电机同样有效，因此大大扩展了间接电感法的应用范围。

文献[6]通过理论分析和实验测试，指出传统的三次谐波方法存在自同步切换失败的情况。在此基础上，作者提出了基于三次谐波检测和A相过零点检测对转子位置进行定位的新方法。通过搭建位置信号检测电路，基于DSP实现转子位置检测算法，实验结果表明该方法能够准确检测出换相点，位置检测的精度和可靠性得到了增强。

文献[7]针对卡尔曼滤波器法位置估计结果易发散的问题，提出了带有衰减记忆的卡尔曼滤波器法。作者以相电流、转速和转子位置为状态变量建立了状态方程，通过优化卡尔曼滤波增益来降低累积误差。通过仿真和实验验证了该方法在不同的运行状况下均能提供准确的换相信号，系统发散问题得到了解决，提高了系统的鲁棒性。

文献[8]提出了基于双曲正切函数的滑模观测器法，与基于符号函数的滑模观测器法相比，系统的陡振显著降低。由于双曲正切函数是光滑的连续曲线，因此控制系统不必外加低通滤波器和相位补偿环节就能够得到线反电动势的估计值，提高了估计精度。实验结果表明该方法能够准确得到换相点。此外，文献[9]提出了基于饱和函数的滑模观测器法，以相电流的量测值与观测值之差作为滑模面，再根据反向电动势与转速的关系推导出转子的位置和转速。通过调节边界层的厚度，有效降低了系统的陡振。

2 无刷直流电机控制算法

在无刷直流电机控制方面，传统的控制方法是将无刷电机看作线性定常系统，利用经典PID控制理论设计控制算法。然而，由于负载变化、外界扰动、摩擦阻尼以及磁场非线性的影响，无刷电机系统实际上是非线性的多变量系统。传统的PID控制器参数是固定的，对工况变化的适应性较差，通常需要人为地不断整定。随着控制器处理速度的加快，通过设计复杂的控制算法提高控制系统的适应性成为可能。近年来，国内外学者围绕无刷直流电机控制，开展了模糊控制、自适应控制、神经网络控制、预测控制等一系列研究，取得了显著的成果。本文将介绍各种控制算法的基本原理和优缺点。

文献[10]设计了模糊PID无刷直流电机转速控制器，仿真表明，与传统的PID控制相比，该方法降低了转速调节时间和超调量。在此基础上，又设计了模糊PD+模糊ID控制相结合的控制器，仿真表明该方法提高了系统的抗负载扰动的能力，并且在消除转矩稳态误差方面具有显著的优越性，为实际应用提供了有效的理论依据。

文献[11]基于波波夫（Popov）超稳定性理论设计了无刷直流电机模型参考自适应控制器，该控制器以期望系统模型为参考模型，以转动惯量为未知参数，采用非线性自适应控制律使实际模型与参考模型的输出一致，从而保证系统满足性能要求。仿真结果表明，采用该控制器时，电机输出转矩在启动、负载变化的情况下，波动明显减小，从而提高了系统的抗干扰性能。

文献[12]为了解决BP神经网络收敛速度慢的缺陷，将具有免疫反馈的神经网络控制器应用于无刷直流电机的转速控制当中。通过利用免疫反馈规则调节BP神经网络的学习速率，成功加快了神经网络的收敛速度。仿真和实验表明，采用该方法的转速控制系统响应变快、超调量减小，并且对电机参数变化具有一定的自适应性。此外，文献[13]为了解决BP神经网络控制存在的功率管误导通问题，提出了利用粒子群（PSO）优化算法对BP神经网络进行优化，进而用于无刷直流电机控制的方法。仿真表明，该方法能够取得满意的效果。

文献[14]针对无刷直流电机换相时转矩存在波动的问题，提出了将无模型控制与预测控制相结合的控制方法。该方法将无刷直流电机控制系统的泛模型作为预测模型，通过代价函数选择最优的开关状态，从而保持非换相的电流恒定。实验结果表明，该方法能够有效抑制电机换相时的转矩波动，并且控制器设计过程对电机参数的依赖性较低，算法简单，容易实现。

文献[15]针对工业电钻转矩与转速控制效果差的问题，提出了无刷直流电机转矩与转速的协调控制策略。在该控制策略下，当用户设定转矩大于负载转矩时，首先控制转矩保持设定转矩不变，则电机转速将逐渐增加，当电机转速达到设定转速上限时，再控制转速不变，直至电机输出转矩等于负载转矩；当用户设定转矩小于负载转矩时，电机转速将逐渐降低，当转速达到设定转速下限时，发出报警信息，电机转速将降低至零速；当用户设定转矩等于负载转矩时，系统保持转矩和转速不变。通过搭建实验平台，验证了无刷直流电机转矩和转速协调控制策略的正确性。

文献[16]设计了无刷直流电机自抗扰速度控制器，自抗扰技术对系统内部的不确定性因素以及外界扰动均具有较强的适应性。仿真和实验结果表明，采用该控制方法的无刷直流电机速度响应较快、超调较小，具有较强的工程适用性。

3 结语

本文总结了无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究进展，包括转子位置估计算法和电机控制方法。其中，转子位置估计算法的研究进展主要是对传统方法的改进，提高了位置估计精度，拓展了应用范围。电机控制方法的研究进展主要是将新型控制算法应用于无刷直流电机控制，改善了控制系统的鲁棒性和自适应能力，具有一定的工程应用价值。

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