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| 無刷直流電動機控制中的幾個技術問題分析（zxj） |
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摘要：在簡要介紹無刷直流電動機應用現狀的基礎上，重點對無刷直流電動機在上業控制中而臨的幾個技術問題進行了討論和分析，指出了目前依然存在的不足和今后的主要研究目標。
關鍵詞：無刷直流電動機；正弦波驅動；無位置傳感器控制0 引 言永磁無刷直流電動機nr分為方波和正弦波兩種，大多數學者傾向于將前者認為是無刷直流電動機(BLDcM)，將后者稱之為永磁同步電動機(PMsM)隨著先進數字集成控制芯片(如DsP、cPLD)的普及和人們對水磁無刷直流電動機認識的不斷提高，永磁無刷直流電動機在工業上的研究與應用不斷升溫。
一些企業在部分產品上已實現了產業化。
近幾年來，在工業應用的不同場合，針對無刷直流電動機控制器的要求不斷提高，在具體應用的過程中，其控制技術也在不斷成熟。為了擴大產業化領域，許多技術問題仍需不斷進行深入的研究，如：影響控制器開關損耗和轉矩脈動的PwM斬波方式，抑制轉矩脈動和音頻噪聲的正弦波驅動技術，應用于風機水泵或壓縮機巾的無位置傳感器控制技術，應用于航空航滅領域高可靠性場合中的故障分析和保護技術，應用十高精度跟蹤領域的無刷直流電動機伺服控制技術，以及微電機的多功能模塊化技術等等。
本文締合工業應用中無刷直流電動機控制技術的研究現狀，針對以上問題給出了一些總結與分析，并就一些還需要進一步研究的問題，指出了技術難點所在和今后的研究目標。
1無刷直流電機的應用現狀目前，工業上應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，而且大多數采用了釹鐵硼稀土永磁體勵磁，其驅動電路電多采用三相橋式逆變器，并工作于120三相六狀態，其結構原理如圖1所示。
由于采用了稀土永磁勵磁，電機的氣隙磁場很難進行弱磁控制(如果采用開通角移相，其控制比較復雜，應用場合較少)，所以一班永磁無刷直流電動機都采用了改變PWM占空比的定頻調寬技術來進行調壓調速，當然這種調速方式是一種恒轉矩連續調速。
眾所周知，無刷直流電動機的****缺點是存在轉矩脈動，尤其在低速運行時，這是因為無刷直流電機從原理上講相當于只有三個換向片的直流電動機，針對這一先天性缺陷，人們試圖從電機和控制器兩力、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的性能相比。
無刷直流電動機有許多優點，主要還是緣于采用功率電子換相替代了機械換向器和電刷后所帶米的種種優越性。但這種機電一體化電機系統****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自身所固有的轉子位置傳感器信號，間接檢測轉速來實現速度閉環控制，因為這種閉環控制大人改變了電機輸出的機械特性。盡管這樣，由于低速轉矩脈動的存在，無刷直流電動機的轉速范圍不大、控制精度不高，其低速控制性能仍有待提升。 、與永磁同步電動機的正弦波驅動相比，正是由F無刷直流電動機控制簡單、成本低，所以下列技術問題一直在研究，并在工程中不斷得到完善。
2無刷直流電機控制技術的研究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損耗，均衡逆變器功率管的發熱，或者通過改變逆變器的續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的開關頻率而又不增加開關損耗，在功率拓撲的卣流環節巾增加諧振電路，可為后級三相逆變器功率管的開通／關斷創建良好的軟開關環境，但這種方案控制復雜，工程仍使用不多。
另外，不同的PwM斬波方式，逆變器的續流路徑小一樣，其卡R電流脈動大小不一樣，則轉矩脈動也就不一樣，所以良好的斬波方式有利_f無刷直流電機系統性能的改善。、2．2正弦波驅動技術無刷隨流電機采用方波電流驅動時，其電磁轉矩由基波和諧波電流分量共同產生，方波電流驅動在增大電機出力的同時，其換相轉矩脈動和音頻噪聲也在增人，低速段尤為明顯。如果九刷直流電機的梯形波反電勢平頂寬度較小時，只要相電壓為正弦，所產牛的電流也具有較好的正弦性，基于此，一種利用轉子霍爾位置傳感器信號，在不改變電機控制器已有硬件電路的前提下，通過空間矢量脈寬調制(svPwM)算法，即可實現無刷直流電機的正弦波驅動，而且在小功率電機中獲得了比較滿意的麻用。
該方法不僅町有效地抑制轉矩脈動和音頻噪聲，而且較正弦脈寬調制(sPwM)算法具有更高的電壓利用率。與方波驅動相比，又很好地規避了電機轉矩脈動大、音頻噪聲高的缺點，也無需高分辨率的轉子位置傳感器(如旋轉變壓器、光電編碼器等)，其性價比較高。
2．3無位置傳感器控制技術為了減少電機與控制器之間的連接線，提高電機系統的可靠性，人們希望采用無位置傳感器控制技術。有時由于電機比較細長，即使采用霍爾元件的轉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。
其實無刷直流電動機的無位置傳感器技術在學術界一直在研究，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行30。的移相處理，但還需要進行“二段式”起動運行，其結構原理如圖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停機后的任意轉子進行初始定位，因此帶滿載起動就較為困難，一般只能應用于低起動轉矩的場合，如風機水泵類負載。
另外，在低壓大電流供電體制下，電機盡管帶動的也是風機或泵類負載，起動轉矩不大，但電機額定運行后在PwM斬波時較大的電流硬開關通／斷控制，仍然會使轉子位置的問接檢測存在較高的干擾，導致電機轉子位置檢測不準，使其性能變差。
如果采用硬件濾波技術，由于濾波器的參數選取不能很好的適應全部速度范圍，因此這一問題仍需進一步研究。
2．4故障分析與保護技術在航空航天領域，機載電動系統常常負擔著飛行器重要的控制動作，如電動舵機、燃油泵、電動活門、力臂調節器、發動機油門桿等。這就要求對其故障模式、故障機理進行深入的研究，并進行必要故障診斷和保護。
目前，該方面的研究主要表現為電機缺相的準確檢測、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節還需要進行必要的冗余設計，以解決當前元器件水平確因無法滿足所帶來的可靠性指標達不到要求的問題。但是，無刷直流電機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行。
2．5高精度伺服控制技術當無刷直流電動機經過比較大的減速器后，無刷直流電動機的低轉速脈動問題對負載來說有所緩解，在高精度的伺服控制系統中，雖然采用r位置、轉速、電流三閉環控制，但系統的低速靈敏度依然不高。豐要是兇為無刷卣流電動機存在低速轉矩脈動，導致零位附近出現振蕩，影響了無刷直流伺服系統的低速跟蹤性能。所以在高精度直驅式伺服系統中，盡管需要高分辨率的位置速度傳感器，而日控制算法復雜，但人們依然愿意采用永磁同步電動機的矢量控制，如高精度機床給進、機器人的運動控制等。
為了避免永磁同步電動機的矢量控制運算的復雜程度，將轉子霍爾位鷲傳感器用單通道無刷旋轉變壓器代替，可有效改善無刷直流電動機的低速伺服性能，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的電子換相。由于‘P通道兀刷旋轉變壓器低成本，兇此這種方法受到很多技術人員的青睞。
2．6多功能模塊化技術受體積限制和基于可靠性的提高，無刷直流微特電機的模塊化技術得到發展，出現r集速度閉環、電流保護、60。／120。導通方式選擇、帶制動功能、使能控制的多功能驅動模塊，有些模塊通過改變連接方式，還可驅動自流微特電動機．．目前借助外帶散熱器，峰值驅動電流達30 A的驅動模塊，其體積甚全只有半磚大小，但這些模塊絕大多數使用典型值為24 V(使用范圍18～36 v)的低壓直流電源，僅適應無刷直流微特電機。而在航空領域，基丁270 v功率1 kw以下的無刪直流電機驅動模塊由于其市場需求，非常值得深入研究和工程化開發。
3結語根據以上分析，無刷直流電動機****用于功率型驅動場合，如拖動恒轉矩負載。相比普通的直流電動機，其功率等級和轉速可以做得比較高；但在高精度伺服控制和寬范圍調速領域，****采用控制算法相對復雜的永磁同步電機矢量控制。另外基1：
多功能的驅動模塊非常值得研究，這有利于無刷直流電機的產業化． |
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