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| 无刷直流电动机控制中的几个技术问题分析（zxj） |
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摘要：在简要介绍无刷直流电动机应用现状的基础上，重点对无刷直流电动机在上业控制中而临的几个技术问题进行了讨论和分析，指出了目前依然存在的不足和今后的主要研究目标。
关键词：无刷直流电动机；正弦波驱动；无位置传感器控制0 引 言永磁无刷直流电动机nr分为方波和正弦波两种，大多数学者倾向于将前者认为是无刷直流电动机(BLDcM)，将后者称之为永磁同步电动机(PMsM)随着先进数字集成控制芯片(如DsP、cPLD)的普及和人们对水磁无刷直流电动机认识的不断提高，永磁无刷直流电动机在工业上的研究与应用不断升温。
一些企业在部分产品上已实现了产业化。
近几年来，在工业应用的不同场合，针对无刷直流电动机控制器的要求不断提高，在具体应用的过程中，其控制技术也在不断成熟。为了扩大产业化领域，许多技术问题仍需不断进行深入的研究，如：影响控制器开关损耗和转矩脉动的PwM斩波方式，抑制转矩脉动和音频噪声的正弦波驱动技术，应用于风机水泵或压缩机巾的无位置传感器控制技术，应用于航空航灭领域高可靠性场合中的故障分析和保护技术，应用十高精度跟踪领域的无刷直流电动机伺服控制技术，以及微电机的多功能模块化技术等等。
本文缔合工业应用中无刷直流电动机控制技术的研究现状，针对以上问题给出了一些总结与分析，并就一些还需要进一步研究的问题，指出了技术难点所在和今后的研究目标。
1无刷直流电机的应用现状目前，工业上应用和研究最多的仍然是三相Y形稀土永磁无刷直流电动机，而且大多数采用了钕铁硼稀土永磁体励磁，其驱动电路电多采用三相桥式逆变器，并工作于120三相六状态，其结构原理如图1所示。
由于采用了稀土永磁励磁，电机的气隙磁场很难进行弱磁控制(如果采用开通角移相，其控制比较复杂，应用场合较少)，所以一班永磁无刷直流电动机都采用了改变PWM占空比的定频调宽技术来进行调压调速，当然这种调速方式是一种恒转矩连续调速。
众所周知，无刷直流电动机的****缺点是存在转矩脉动，尤其在低速运行时，这是因为无刷直流电机从原理上讲相当于只有三个换向片的直流电动机，针对这一先天性缺陷，人们试图从电机和控制器两力、面人手来解决这一问题，但仍未从根本上使其与永磁同步电动机的性能相比。
无刷直流电动机有许多优点，主要还是缘于采用功率电子换相替代了机械换向器和电刷后所带米的种种优越性。但这种机电一体化电机系统****的好处还是在不增加太多硬件电路资源的情况下，控制器很容易通过电机自身所固有的转子位置传感器信号，间接检测转速来实现速度闭环控制，因为这种闭环控制大人改变了电机输出的机械特性。尽管这样，由于低速转矩脉动的存在，无刷直流电动机的转速范围不大、控制精度不高，其低速控制性能仍有待提升。 、与永磁同步电动机的正弦波驱动相比，正是由F无刷直流电动机控制简单、成本低，所以下列技术问题一直在研究，并在工程中不断得到完善。
2无刷直流电机控制技术的研究2．1 PwM斩波方式通常，PwM斩波方式有多种选择，但近些年上下全斩的方式基本上被淘汰，比较常用还是上斩下不斩、F斩上不斩或者上下轮斩。这些PWM斩波方式，其目的都是为了降低开关损耗，均衡逆变器功率管的发热，或者通过改变逆变器的续流路径来降低直流母线上的电压尖峰等等。为了真正地提高PwM的开关频率而又不增加开关损耗，在功率拓扑的卣流环节巾增加谐振电路，可为后级三相逆变器功率管的开通／关断创建良好的软开关环境，但这种方案控制复杂，工程仍使用不多。
另外，不同的PwM斩波方式，逆变器的续流路径小一样，其卡R电流脉动大小不一样，则转矩脉动也就不一样，所以良好的斩波方式有利_f无刷直流电机系统性能的改善。、2．2正弦波驱动技术无刷随流电机采用方波电流驱动时，其电磁转矩由基波和谐波电流分量共同产生，方波电流驱动在增大电机出力的同时，其换相转矩脉动和音频噪声也在增人，低速段尤为明显。如果九刷直流电机的梯形波反电势平顶宽度较小时，只要相电压为正弦，所产牛的电流也具有较好的正弦性，基于此，一种利用转子霍尔位置传感器信号，在不改变电机控制器已有硬件电路的前提下，通过空间矢量脉宽调制(svPwM)算法，即可实现无刷直流电机的正弦波驱动，而且在小功率电机中获得了比较满意的麻用。
该方法不仅町有效地抑制转矩脉动和音频噪声，而且较正弦脉宽调制(sPwM)算法具有更高的电压利用率。与方波驱动相比，又很好地规避了电机转矩脉动大、音频噪声高的缺点，也无需高分辨率的转子位置传感器(如旋转变压器、光电编码器等)，其性价比较高。
2．3无位置传感器控制技术为了减少电机与控制器之间的连接线，提高电机系统的可靠性，人们希望采用无位置传感器控制技术。有时由于电机比较细长，即使采用霍尔元件的转子位置传感器也没有安装空间，这时人们也会想到使用无位置传感器控制。
其实无刷直流电动机的无位置传感器技术在学术界一直在研究，而且已取得了很多成果，目前采用端电压过零检测的方法与基于绕组相反电势过零检测的方法相比，虽然无需控制电路再进行30。的移相处理，但还需要进行“二段式”起动运行，其结构原理如图2所示，而且其控制单元一般多采用微处理器、由于这种“三段式”方法依然需要先对电机停机后的任意转子进行初始定位，因此带满载起动就较为困难，一般只能应用于低起动转矩的场合，如风机水泵类负载。
另外，在低压大电流供电体制下，电机尽管带动的也是风机或泵类负载，起动转矩不大，但电机额定运行后在PwM斩波时较大的电流硬开关通／断控制，仍然会使转子位置的问接检测存在较高的干扰，导致电机转子位置检测不准，使其性能变差。
如果采用硬件滤波技术，由于滤波器的参数选取不能很好的适应全部速度范围，因此这一问题仍需进一步研究。
2．4故障分析与保护技术在航空航天领域，机载电动系统常常负担着飞行器重要的控制动作，如电动舵机、燃油泵、电动活门、力臂调节器、发动机油门杆等。这就要求对其故障模式、故障机理进行深入的研究，并进行必要故障诊断和保护。
目前，该方面的研究主要表现为电机缺相的准确检测、功率逆变器直流母线尖峰电压和尖峰电流的有效吸收、相电流幅值的快速抑制，以及转子霍尔位置传感器的故障和备份等．有时，对于控制器中的薄弱环节还需要进行必要的冗余设计，以解决当前元器件水平确因无法满足所带来的可靠性指标达不到要求的问题。但是，无刷直流电机的余度控制却又面临着信号纷争、余度均衡和余度的管理等诸多问题，其理论研究还需深入地进行。
2．5高精度伺服控制技术当无刷直流电动机经过比较大的减速器后，无刷直流电动机的低转速脉动问题对负载来说有所缓解，在高精度的伺服控制系统中，虽然采用r位置、转速、电流三闭环控制，但系统的低速灵敏度依然不高。丰要是凶为无刷卣流电动机存在低速转矩脉动，导致零位附近出现振荡，影响了无刷直流伺服系统的低速跟踪性能。所以在高精度直驱式伺服系统中，尽管需要高分辨率的位置速度传感器，而日控制算法复杂，但人们依然愿意采用永磁同步电动机的矢量控制，如高精度机床给进、机器人的运动控制等。
为了避免永磁同步电动机的矢量控制运算的复杂程度，将转子霍尔位鹫传感器用单通道无刷旋转变压器代替，可有效改善无刷直流电动机的低速伺服性能，而且这种传感器不但包含了位嚣和速度信息，同时还可用于无刷直流电机的电子换相。由于‘P通道兀刷旋转变压器低成本，凶此这种方法受到很多技术人员的青睐。
2．6多功能模块化技术受体积限制和基于可靠性的提高，无刷直流微特电机的模块化技术得到发展，出现r集速度闭环、电流保护、60。／120。导通方式选择、带制动功能、使能控制的多功能驱动模块，有些模块通过改变连接方式，还可驱动自流微特电动机．．目前借助外带散热器，峰值驱动电流达30 A的驱动模块，其体积甚全只有半砖大小，但这些模块绝大多数使用典型值为24 V(使用范围18～36 v)的低压直流电源，仅适应无刷直流微特电机。而在航空领域，基丁270 v功率1 kw以下的无删直流电机驱动模块由于其市场需求，非常值得深入研究和工程化开发。
3结语根据以上分析，无刷直流电动机****用于功率型驱动场合，如拖动恒转矩负载。相比普通的直流电动机，其功率等级和转速可以做得比较高；但在高精度伺服控制和宽范围调速领域，****采用控制算法相对复杂的永磁同步电机矢量控制。另外基1：
多功能的驱动模块非常值得研究，这有利于无刷直流电机的产业化． |
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