无刷直流电机控制技术综述

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述舫}瀚麟瀚

无刷直流电机控制技术综述郑,

吉王学普,

(浙江大学浙江杭州

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摘,

要介绍了无刷直流电机的转子位置检测的实现方,。

:

有效的方法利用传感器得到的不同位置信号经过门电路模拟开关或专用芯片就可以得到不同的触发逻辑信号实现触发状态的自动切换〔3川随着微处理器的应,,、

,

法并提出了各种控制策略分析了产生转矩脉动的各种原因及无位置传感器的无刷直流电机的多种起动办法:

关键词无刷直流电机转子位置检测无位置传感器转;

;

;

用也可以通过软件来进行切换、

,

。

无刷电机常用的位置。

矩脉动起动

;

中图分类号: T M 3 3文章编号 1 0 0 4A b sr t bu rs

:文献标识码 A

传感器有磁电感应式磁敏式和光电式,

磁电式位置传。

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感器既笨重又复杂所以在方波电机中早已被淘汰一n

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敏式霍尔位置传感器由于体积小简单可靠的特点而被广泛应用,。

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光电式如光电码盘因高精度的特点而广泛应。

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用于伺服系统中,

但位置传感器的使用增加了电机的体,

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积且需要多根信号线这给无刷直流电机的微型化带来e

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了困难也增加了电机制造的工艺要求和成本,

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为省去位置传感器文献〔5]根据各相反电势随转子位置改变的原理提出了端电压检测法把三相端电压经、

,

1无刷直流电机的发展趋势

随着高性能永磁材料微电子技术自动控制技术和电力电子技术特别是大功率半导体器件的快速发展永,

、

低通滤波器延时 9 0

。

电角度再经比较电路

得出触发逻辑,,

,

信号足90、

。

但该方法存在着低通滤波器在电机低速时延对不电角度的情况导致触发信号提前切换对电机电,。,

。

磁同步电机得到了迅速的发展、、、

由于其调速性能优越且体积小重量轻效率高转动惯量小不存在励磁损耗、

。

,

流转矩产生较大的影响严重时甚至会引起电机失步,

问题因此在各个领域具有广阔的应用前景、

,

。

永磁同步,

因此文献〔6〕在此基础上经行补充低速时采取三相端电压两两比较直接得出触发逻辑信号的方法在整个运,

,

电机按其工作原理驱动电流和控制方式的不同可分为

行段根据不同的转速在两个位置检测电路之间进行切换。

,

,

具有正弦波反电势的永磁同步电机 (,

P MSM

)和具有梯形,

随着微处理器的应用利用软件的延对方法可以完。

,

波反电势的永磁同步电机后者又称为无刷直流电机( B LD c M ),

。

B LDc M,

和

PM sM

相比具有明显的优越性,,

,

全简化端电压检测法的位置检测电路然后用软件延迟1/

7〕提出用文献「,

三相端电压和比较电压间接得到绕组反电势的过零点。

反馈装置简单功率密度更高输出转矩更大控制结构更为简单使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥,,

2周期的时间再切换触发信号 1

。

但,

因此无刷直流电机的应用和研究受到了广泛的重视凭

由于凸极电机中电枢反应和检测电路滤波器的影响会导致电机超前或滞后换流因此文献〔8〕对此进行了修正,

其技术优势在许多场合取代着其它种类的电动机2

。

并取得了良好的效果“”

。

转子位置检测及触发状态切换的实现无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子

端电压检测法虽能完成转子位置的检测但由于,

,

绕组的反电势正比于转子的转速因此在低速时就很难检测到反电势而会导致电机失步。

,

的不同位置相应地改变其不同的触发组合状态来实现

的因此准确检测转子的位置并根据转子位置准时切换

,

9〕提出了通过检测与功率器件反并联的二极文献仁

功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。

管的导通与否来

判断绕组反电势的过零点这种方法在低速时也能检测到二极管的导通使电机能在低速下正常运行且有利于顺利完成启动过程,,

,

用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接收稿日期 2 0 0:

。

但是这种检测方

,

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法需在二极管上并列检测电路这对于集成的功率器件无刷直流电机控制技术综述11

很难实现;并且二极管的导通时刻并不是绕组反电势的真正过零时刻要消除这误差也还得另加补偿电路,

了磁通畸变和干扰带来的转矩脉动4 2.

。

,

。

谐波引起的转矩脉动,

0」 1文献仁提出了一种检测转子位置的新方法在永,

磁转子的表面粘贴一些非磁性的导电材料利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应使开路相电压的大小随转子位置角而变化从而可通过检测开路相电压来判断转子位置此方法不依靠反电势因此能保证电机在低速时可靠地运行和顺利地起动,

文献仁 4〕对无刷直流电机的转矩特性进行了深人的 1研究分析了谐波引起的转矩脉动在无刷直流电机中。,

,

理想条件下同次的磁链谐波与电流谐波 ( 3倍谐波除外〕相互作用产生恒定的转矩不同次谐波之间是不产生转矩的。,

,

,

,

,

但在实际情况下由于电机的电感限制了电流,,。,

,

。

但此方法需。

特殊的电机对电机的制造工艺有很大的要求3

的变化率使得输人定子绕组的电流不可能是矩形波而往往是梯形波而且磁链波形的水平波顶也会小于理想时的 10 2。,

速度调节的实现方法及控制策略无刷直流电机的机械特性为:

使得不同次的磁链谐波与电流谐波之间产。

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生了脉动转矩4 3.

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,

相电流换向引起的转矩脉动16」文献「对电机各速度段的相电流换向引起的转矩,

或定子电流

d来实现调速文献[ 1 1〕介绍了利用降压型载波电路和,两象限载波电路来进行调速的两种方法两象限电路由于可以很快地控制电流与因此其动态性能远远高于只,

脉动作了详细的理论分析和仿真并提出了用滞环控制和Pw M

控制来抑制电机低速段的转矩脉动的方法实验,

,

是靠通过调节端电压来调速的降压型电路且前者还有回馈制动的功能电流脉动也比后者小得多,

,

中也取得效果但没有对电机高速段的转矩脉动提出相应的办法。

。

文献,

5〕仁

、

17」为此文献厂提到了,

,

PWM

控制基础上提,,

[ 9〕提出了用节 PwM

P WM

信号作为功率器件的触发信号用调,,

高电压源电压的方法对于电压达不到足够高的情况作者提出了用重叠换向法来抑制电机高速段的转矩脉动,

信号的占空比的方法来调速该方法可以直接控制电机的相电流因而调速性能更佳也可以很好地抑制,

虽然简单但效果并不理想;在此基础上作者进一步采用了带PW M

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导通的方法通过仿真得到频率与

,

电流的脉动

。

占空比最佳配合的,,,

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信号用于控制该方法对电机高

,

高性能的调速系统尤其是速度伺服系统需要有一适合于系统的控制策略即速度调节器用了数字I D P,

。

速段相电流换向引起的转矩脉动起到了很好的抑制作用。

大部分系统采

调节器但这对交流伺服系统有一定的局

文献「1 8〕在分析直流侧电流反馈控制和交流侧电,,

限性

。

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〕采用 P I

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控制与模糊控制相结合的,

流反馈控制换向转矩脉动产生的基础上结合文献〔1 6〕控制方法的优点提出了用带〔1 7三,

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控制的重叠换,

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I D控制对速度环进行控制取得了良好的效果 PFu z y z和 P I D。,

,

使系统具有、

控制的双重优点且在不同的负无刷直流电机是一个多变量、

相法来抑制电机高速段换向引起的转矩脉动仿真和实验结果都表明非换向电流在不同的速度段都得到了控

载下具有较强的鲁棒性,、

、

制脉动较小换向性能较高5无刷直流电机的起动

,

,

。

非线性强藕合的对象因此利用模糊控制神经网络控制专家系统等具有自学习自适应自组织功能的智能控制来进行对无刷直流电机的控制是一种有效的手段这也是高性能伺服系统发展的趋势,、、

,

对于有位置传感器的无刷直流电机来说顺利起动是不存在什么问题的,

,

。

但仅仅对速度的控制是远远满足不了伺服系统的要求的要提高系统的性能必须对

电机的转矩进行控制4,。

但对于靠反电势进行位置检测的无位置传感器的无刷直流电机来说由于静止时不产生,

。

反电势从而使得怎样顺利起动成了控制无位置传感器的无刷直流电机的重要问题,

。

转矩脉动的抑制伺服系统的控制关键是对转矩的控制但由于各种,

目前一般的方法是先采。

,

用他控式使电机加速然后再切换到自控同步方式,

文

19了献厂提出了控制相电流与起动曲线相对应的起动方

原因引起的转矩脉动问题严重影响了无刷直流电机在交流伺服系统中的应用尤其在直接驱动应用的场合转矩,,

法但对于不同的负载有不同的起动曲线因此该办法适用于固定负载的场合,

,

。

20文献仁 )提出了预定位方法起,,

脉动使电机速度控制特性极度恶化动成为提高伺服系统性能的关键主要有以下几个方面4 1.

。

因而抑制转矩脉

,

动该起动方式实现比较简单但对切换时间要求较严,,,

。

引起转矩脉动的原因

当电机惯量不同或带一定负载起动时切换时间需要调整否则可能造成起动失败或电机反转现象因此比较适用于电机空载起动。

。

齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动齿槽效应和磁通畸变与电机的制造有关由此引起,

2 1〕采用了升频升压同步起动文献仁,

方式虽然能带一定的负载起动但起动电路较为复杂;怎样顺利切换也是个问题,,

,

13了的转矩脉动文献仁进行了详细的分析,

。

抑制的办法除

。

文献「 2〕深人分析了三段式。

巧]提出了瞬态了从电机设计的角度进行改善外文献仁

起动法的加速和切换过程中确保电机不失步的各自条件但在重载条件下还是不能顺利完成起动过程,

转矩控制法其实质是转矩闭环控制该方法不仅能控制电机的平均转矩也能控制电机的瞬态转矩较好地抑制2 1,,

,

,

笔者

在实验系统的起动过程中采取了固定换向频率边加大

,

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作为功率器件的触发信号的:,

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号的方法在每个触发状态中检测该状态所对应的位置信号如果连续置信号就切换到自控同步方式,,,

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胡晨戴忆君无位置传感器的无刷直流电动机新控制方法的研究 t J]微特电机. .

,

199 9

,

(5):

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.

10.

利切换有很好的抗干扰性在轻负载条件下取得了良好的效果6。

[ 1 1〕赵剑锋周波无刷直流方波电机两种调压方式的比较〔 C]第,

五届中国交流电机调速传动学术议论文集.

,

19 9 7

:

1 6 2.

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.

2][1

郝晓弘张永宪智能控制全数字交流伺服系统[ C」第五届,

结束语无刷直流电机交流伺服系统是交流伺服系统的主要〔1 3〕,,

中国交流电机调速传动学术会议论文集Mu r a.

,

19 9 7

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发展方向但怎样进一步提高其性能怎样把无位置传感器的无刷直流电机应用到需要高精度高性能伺服系统、

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中怎样消除开关控制的效果对位置伺服系统造成的影响等等还有许多问题待需解决用这些问题都会逐步得到解决,,。

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和现代控制理论的迅速发展以及在实际控制中的成功运。

许镇琳柔建平王秀芝永磁式,,

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3〕王云良仁一种控制直流无刷直流电动机的新方法「J刁中小型电.

8了许镇琳江伟王秀芝等无刷直流伺服电机换相转矩脉动的分[1

机

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19 9 8 5. . .

,

9 9析和消除〔J」电气传动 1 4,,

.

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J了微电机[ 4了张丽无刷直流电动机的电子换相装置仁

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电动势换相无刷直流电机的预定位方法起动.

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田淳周波无位置传感器稀土永磁无刷直流方波电机调速系,

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作者简介郑吉 (:

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无刷直流电机控制技术综述

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