无刷直流电动机的控制及应用

    引言

    无换向器电动机是70年代迅速发展起来的一种新型调速电动机。它是一种用半导体开关器件控制的变频调速同步电动机；也或可认为是一种用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作用的直流电动机。半导体器件可以是晶体管、晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）等。为区别于一般的独立变频调速系统（其频率由电动机外部控制），人们又称这种调速系统为同步电动机的自控式变频调速系统。

    无换向器电动机根据所采用的控制元件和控制方式的不同而有多种结构。一般低压、小容量的无换向器电动机多是晶体管电动机，小型晶体管电动机在商业上通常称为无刷直流电动机。而高压、大容量的无换向器电动机则多为晶闸管电动机。

    根据所采用的控制方式不同可分为直流无换向器电动机和交流无换向器电动机。直流无换向器电动机采用交-直-交控制系统或直-交控制系统，通常把50Hz的交流电整流成直流电或直接用直流电，由半导体变流器转变成频率可调的交流电，供给同步电动机以实现变频调速。交流无换向器电动机采用交-交控制系统，它是利用半导体变流器直接把半导体直接把50Hz的交流电转变成为频率可调的交流电，供给同步电动机以实现调速。

    无换向器电动机的特性和普通直流机十分相近，可在四个象限运行，效率和技术经济指标也相近。但它没有电刷和换向器，因而比直流电动机结构简单，维护方便，容易做到低转速大容量、高转速大容量，调速方便，不失步，因而适用范围广泛。在易燃、易爆、高气压等环境比较恶劣的场合，如水泥厂、化工厂、矿山、油田及潜艇上都能使用；也适于安装在人不可及的装备上，如原子能设备、高空飞行器及偏僻海岛等地方。

    交-直-交高速大容量无换向器电动机多用于风机、水泵及压缩机类调速和大型同步电动机、蓄能电站发电-电动机的起动。

    交-交电压型低速大容量无换向器电动机多用于大型轧钢机、矿井卷扬机，水泥磨机等设备的调速传动。

    无刷直流电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸多优点。近年来，由于永磁材料性能提高、制造成本价格下降、电力电子技术发展及对电机性能要求等因素的影响，无刷直流电动机的应用领域迅速扩展。随着大规模集成电路的普及，各具特色的无刷直流电动机专用集成电路控制芯片纷纷涌现，将各种功能的电子控制电路集成在一片控制芯片中，既使控制电路体积大大减小，又减少了整个装置的调试工作量。随着电力电子工业的发展，无刷直流电动机的应用将更加普及。

    1、无换向器电动机的基本工作原理

    无换向器电动机的基本工作原理如下图1所示：

图1 无换向器电动机原理图

    由上述原理图可见，无换向器电动机相当于有三个片的直流电动机，只不过换向是由晶闸管（或晶体管）来进行的。它是一个受控于位置检测器（PS）的自控式半导体变频器和同步电动机（MS）组成的调速系统。由于电动机定子电枢电流是直接由转子转速控制的，这样，电动机速度升高或降低时，位置检测器输出信号的频率也升高或降低，电枢电流频率及其旋转磁场速度随之升高或降低，始终能够保持与励磁磁场相对位置不变的关系，因此这种电机不会有失步的问题。这是自控式同步电动机的特点，所以无换向器电动机又称为频率自控的同步电动机。

    下面主要研究无刷直流电动机的控制方式及其应用。

    2、无刷直流电动机控制方法

    2.1 无刷直流电动机的速度/位置控制

    目前国内外学者对无刷直流电动机的研究大多集中在其速度和位置控制技术上。无刷直流电动机速度伺服系统的结构如图２所示，系统采用电流、速度双闭环控制，电流环采用传统的PI控制，速度环既可采用PI控制，也可根据运行条件选择合适的控制策略。无刷直流电动机位置伺服系统的结构如图3所示，系统采用速度、位置双闭环控制，速度环可采用速度伺服系统中的各种控制策略进行控制，为了提高系统的快速响应性，位置环常采用变结构控制。

图2 无刷直流电动机速度伺服系统结构图

图3 无刷直流电动机位置伺服系统结构图

    2.2 无刷直流电动机的控制策略

    受控制理论和控制器件的限制，无刷直流电动机很长时间内一直采用经典PID控制，该控制方法可使系统性能满足各种静、动态指标，但系统的鲁棒性不尽人意。面对日益复杂的控制对象，为进一步提高无刷直流电动机调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，智能控制方法受到更多关注。近年来电机控制专用数字信号处理器(DSP)又成为另一被广泛使用的控制方法，DSP实现的电机伺服系统可以只用一片DSP代替单片机和各种接口，且DSP芯片有快速的运算能力，可以实现更复杂、更智能化的算法；可以通过高速网络接口进行系统升级和扩展；可以实现位置、速度和电流的全数字化控制。

    (1) PID控制

    PID控制具有控制结构简单，参数容易整定的优点，在工业领域应用最为广泛。在设计PID控制器时，分析比较PID参数Kp，Ki ，Kd对系统的影响，通过参数的调整使系统的暂态特性达到最优。在无刷直流电动机速度闭环控制方案中， PID控制器虽然容易使用，但易受干扰，采样精度和数字量上、下限的影响易产生积分饱和而失去调解作用。而采用非线性变速积分PID算法时，可将PID控制器输出限制在有效输出范围内，避免其超出执行机构动作范围而发生饱和。这种算法消除了一般PID控制器算法中的饱和现象，使电机调速稳定，并具有快速跟随性， 同时也使电机具有恒转矩调速特性。