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無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制的研究進(jìn)展

2018-08-15 00:43:50王競(jìng)博
機(jī)電信息 2018年12期
關(guān)鍵詞:續(xù)流反電動(dòng)勢(shì)直流電機(jī)

王競(jìng)博

(南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,江蘇南京210023)

0 引言

與有刷直流電機(jī)相比,無(wú)刷直流電機(jī)[1]具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低和可靠性好等優(yōu)勢(shì),因此在航空航天、家用電器和電動(dòng)交通工具等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)降低了系統(tǒng)硬件成本,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),大大拓展了無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)可分為兩個(gè)部分:轉(zhuǎn)子位置估計(jì)和電機(jī)控制,提高轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)精度和電機(jī)控制的性能是改善系統(tǒng)運(yùn)行狀況的關(guān)鍵。

目前,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法和電機(jī)控制算法領(lǐng)域的研究均取得了諸多進(jìn)展,本文總結(jié)了兩個(gè)領(lǐng)域的最新成果,包括各種算法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍,可為工程設(shè)計(jì)人員提供有價(jià)值的參考。

1 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法

目前,常用的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法包括反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、電感法和觀測(cè)器法。其中,反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法可細(xì)分為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零法、反電動(dòng)勢(shì)積分法、續(xù)流二極管法和三次諧波法,觀測(cè)器法可細(xì)分為卡爾曼濾波法、滑模觀測(cè)器法。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者經(jīng)過(guò)細(xì)致研究,對(duì)上述方法做出了有意義的改進(jìn),下面介紹各方法的研究進(jìn)展。

文獻(xiàn)[2]在傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法的基礎(chǔ)上,提出了基于線電壓的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)估計(jì)方法。該方法通過(guò)檢測(cè)電機(jī)任意兩相線電壓,經(jīng)過(guò)計(jì)算得到懸空相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零時(shí)刻,再延遲30°的電角度即可得到換相點(diǎn)。此外,文獻(xiàn)[3]分析了該方法在不同PWM調(diào)制模式下懸空相的續(xù)流情況,指出在雙管調(diào)制下懸空相無(wú)續(xù)流,而在單管調(diào)制模式下懸空相存在續(xù)流的結(jié)論,因此該方法僅適用于雙管調(diào)制模式。與傳統(tǒng)反電勢(shì)過(guò)零法相比,該方法不用重構(gòu)電機(jī)中點(diǎn),無(wú)需深度濾波,因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈敏度較高。

文獻(xiàn)[4]在傳統(tǒng)續(xù)流二極管法的基礎(chǔ)上,提出了一種帶互補(bǔ)補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)續(xù)流二極管法。傳統(tǒng)的續(xù)流二極管法由于功率器件存在壓降和相位延遲,因此得到的換相點(diǎn)存在誤差,而改進(jìn)的方法通過(guò)改變PWM的調(diào)制模式避免了這一缺陷。通過(guò)搭建PSPice仿真模型,驗(yàn)證了此方法能夠有效檢測(cè)出換相時(shí)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

文獻(xiàn)[5]在傳統(tǒng)電感法和反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法的基礎(chǔ)上,提出了間接電感法,解決了電機(jī)低速和靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問(wèn)題。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了該方法與電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān),并指出該方法對(duì)于三角型連接的無(wú)刷直流電機(jī)以及常見(jiàn)的星型連接無(wú)中性點(diǎn)引出線的無(wú)刷直流電機(jī)同樣有效,因此大大擴(kuò)展了間接電感法的應(yīng)用范圍。

文獻(xiàn)[6]通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,指出傳統(tǒng)的三次諧波方法存在自同步切換失敗的情況。在此基礎(chǔ)上,作者提出了基于三次諧波檢測(cè)和A相過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行定位的新方法。通過(guò)搭建位置信號(hào)檢測(cè)電路,基于DSP實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)算法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出換相點(diǎn),位置檢測(cè)的精度和可靠性得到了增強(qiáng)。

文獻(xiàn)[7]針對(duì)卡爾曼濾波器法位置估計(jì)結(jié)果易發(fā)散的問(wèn)題,提出了帶有衰減記憶的卡爾曼濾波器法。作者以相電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置為狀態(tài)變量建立了狀態(tài)方程,通過(guò)優(yōu)化卡爾曼濾波增益來(lái)降低累積誤差。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在不同的運(yùn)行狀況下均能提供準(zhǔn)確的換相信號(hào),系統(tǒng)發(fā)散問(wèn)題得到了解決,提高了系統(tǒng)的魯棒性。

文獻(xiàn)[8]提出了基于雙曲正切函數(shù)的滑模觀測(cè)器法,與基于符號(hào)函數(shù)的滑模觀測(cè)器法相比,系統(tǒng)的陡振顯著降低。由于雙曲正切函數(shù)是光滑的連續(xù)曲線,因此控制系統(tǒng)不必外加低通濾波器和相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)就能夠得到線反電動(dòng)勢(shì)的估計(jì)值,提高了估計(jì)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確得到換相點(diǎn)。此外,文獻(xiàn)[9]提出了基于飽和函數(shù)的滑模觀測(cè)器法,以相電流的量測(cè)值與觀測(cè)值之差作為滑模面,再根據(jù)反向電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。通過(guò)調(diào)節(jié)邊界層的厚度,有效降低了系統(tǒng)的陡振。

2 無(wú)刷直流電機(jī)控制算法

在無(wú)刷直流電機(jī)控制方面,傳統(tǒng)的控制方法是將無(wú)刷電機(jī)看作線性定常系統(tǒng),利用經(jīng)典PID控制理論設(shè)計(jì)控制算法。然而,由于負(fù)載變化、外界擾動(dòng)、摩擦阻尼以及磁場(chǎng)非線性的影響,無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上是非線性的多變量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的PID控制器參數(shù)是固定的,對(duì)工況變化的適應(yīng)性較差,通常需要人為地不斷整定。隨著控制器處理速度的加快,通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制算法提高控制系統(tǒng)的適應(yīng)性成為可能。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞無(wú)刷直流電機(jī)控制,開(kāi)展了模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測(cè)控制等一系列研究,取得了顯著的成果。本文將介紹各種控制算法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了模糊PID無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器,仿真表明,與傳統(tǒng)的PID控制相比,該方法降低了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。在此基礎(chǔ)上,又設(shè)計(jì)了模糊PD+模糊ID控制相結(jié)合的控制器,仿真表明該方法提高了系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)的能力,并且在消除轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差方面具有顯著的優(yōu)越性,為實(shí)際應(yīng)用提供了有效的理論依據(jù)。

文獻(xiàn)[11]基于波波夫(Popov)超穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)模型參考自適應(yīng)控制器,該控制器以期望系統(tǒng)模型為參考模型,以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為未知參數(shù),采用非線性自適應(yīng)控制律使實(shí)際模型與參考模型的輸出一致,從而保證系統(tǒng)滿足性能要求。仿真結(jié)果表明,采用該控制器時(shí),電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩在啟動(dòng)、負(fù)載變化的情況下,波動(dòng)明顯減小,從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。

文獻(xiàn)[12]為了解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢的缺陷,將具有免疫反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制當(dāng)中。通過(guò)利用免疫反饋規(guī)則調(diào)節(jié)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率,成功加快了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。仿真和實(shí)驗(yàn)表明,采用該方法的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)響應(yīng)變快、超調(diào)量減小,并且對(duì)電機(jī)參數(shù)變化具有一定的自適應(yīng)性。此外,文獻(xiàn)[13]為了解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制存在的功率管誤導(dǎo)通問(wèn)題,提出了利用粒子群(PSO)優(yōu)化算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而用于無(wú)刷直流電機(jī)控制的方法。仿真表明,該方法能夠取得滿意的效果。

文獻(xiàn)[14]針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)換相時(shí)轉(zhuǎn)矩存在波動(dòng)的問(wèn)題,提出了將無(wú)模型控制與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的控制方法。該方法將無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的泛模型作為預(yù)測(cè)模型,通過(guò)代價(jià)函數(shù)選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),從而保持非換相的電流恒定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠有效抑制電機(jī)換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),并且控制器設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性較低,算法簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[15]針對(duì)工業(yè)電鉆轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制效果差的問(wèn)題,提出了無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制策略。在該控制策略下,當(dāng)用戶設(shè)定轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),首先控制轉(zhuǎn)矩保持設(shè)定轉(zhuǎn)矩不變,則電機(jī)轉(zhuǎn)速將逐漸增加,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速上限時(shí),再控制轉(zhuǎn)速不變,直至電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩;當(dāng)用戶設(shè)定轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速將逐漸降低,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速下限時(shí),發(fā)出報(bào)警信息,電機(jī)轉(zhuǎn)速將降低至零速;當(dāng)用戶設(shè)定轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不變。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)控制策略的正確性。

文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了無(wú)刷直流電機(jī)自抗擾速度控制器,自抗擾技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的不確定性因素以及外界擾動(dòng)均具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用該控制方法的無(wú)刷直流電機(jī)速度響應(yīng)較快、超調(diào)較小,具有較強(qiáng)的工程適用性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的研究進(jìn)展,包括轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法和電機(jī)控制方法。其中,轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法的研究進(jìn)展主要是對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn),提高了位置估計(jì)精度,拓展了應(yīng)用范圍。電機(jī)控制方法的研究進(jìn)展主要是將新型控制算法應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)控制,改善了控制系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)能力,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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