夏 偉

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

無刷直流電機(BLDC)由于運行條件比較特殊，為保證應(yīng)用的安全性，取消了內(nèi)置傳感器，有效降低了電機損壞概率，應(yīng)用反電動勢檢測技術(shù)，提升了換相點定位精度，推動了無刷直流電機的發(fā)展。

1 無位置傳感控制技術(shù)

1.1 反電動勢檢測技術(shù)

電機換相點測量使用的是反電動勢檢測技術(shù)，應(yīng)用反電動勢信號，將其在硬件濾波相位延遲90°，獲得BLDC換相點。反電動勢檢測技術(shù)在應(yīng)用上具有一定的局限性，只能檢測關(guān)機狀態(tài)下或低速運行狀態(tài)下的BLDC換相點，一旦濾波結(jié)束則不能應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行換相點的檢測，只可對電機進(jìn)行開環(huán)控制。當(dāng)電機高速運行時，受濾波電路的影響，導(dǎo)致反電動勢檢測的換相點不準(zhǔn)確，其濾波相位延時與實際的90°有一定的差距。為了解決這個問題，三次諧波積分檢測方法和續(xù)流二極管法應(yīng)運而生，該方法提高了換相點檢測的準(zhǔn)確性，使用誤差校正法，彌補了反電動勢檢測方面的不足。

1.2 電感法

在凸極效應(yīng)作用下，繞組電感的位置會跟著轉(zhuǎn)子的位置而改變，可使用電感變化確定轉(zhuǎn)子位置。常用的檢測方法是使用非導(dǎo)通相的端電壓，向電感中引入電壓矢量，通過測定端電壓來確定轉(zhuǎn)子的位置。或使用三段式啟動，向電感中通入電壓矢量，通過非導(dǎo)通相的參數(shù)變化確定轉(zhuǎn)子位置，使BLDC正常啟動。

1.3 狀態(tài)觀測器

應(yīng)用電壓和電流建立模型，通過狀態(tài)模型確定轉(zhuǎn)子位置。主要方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、滑模觀測器法、卡爾曼濾波器法。其中，滑膜觀測法對技術(shù)要求不高，所以實際應(yīng)用比較廣泛?？墒褂脿顟B(tài)器觀測反電動勢的信號，從而判斷轉(zhuǎn)子位置。

2 調(diào)速控制技術(shù)

BLDC調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)控制存在一定的不足，缺少反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)發(fā)出命令后，沒有得到執(zhí)行指令后的反饋信息，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其優(yōu)點是指令發(fā)出后，不會影響其他系統(tǒng)功能，由于缺少校正和補償功能，一般用于穩(wěn)定性要求不高的系統(tǒng)中。雙閉環(huán)控制可彌補開環(huán)控制的不足，添加了反饋環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)能夠及時接收反饋信息，在第一時間做出反應(yīng)，極大減少了響應(yīng)時間，可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對控制技術(shù)要求較高的系統(tǒng)中。

2.1 開環(huán)控制技術(shù)

開環(huán)控制的優(yōu)點是在發(fā)出指令后，不會影響控制器的輸出，當(dāng)控制器發(fā)出指令后，控制系統(tǒng)自動執(zhí)行指令，BLDC得到指令后開始響應(yīng)。開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，直接控制BLDC的轉(zhuǎn)速，但由于缺少反饋環(huán)節(jié)，電機帶載時只有一個做功，需要進(jìn)行補償，通過提高電機的電流進(jìn)行補償，使電機失去一定的動能，降低電機的轉(zhuǎn)速。開環(huán)控制在實際應(yīng)用中形成靜態(tài)速降，存在靜特性差的問題，當(dāng)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速變化幅度較大，影響電機的穩(wěn)定性。

2.2 雙閉環(huán)控制技術(shù)

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有一個或多個閉環(huán)，發(fā)出控制指令后，反饋執(zhí)行信息并影響控制器。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩部分：一是電流內(nèi)環(huán)，二是速度外環(huán)，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行系統(tǒng)控制，具體作用如下：

2.2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)閉環(huán)控制系統(tǒng)的外環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)整輸出轉(zhuǎn)度，滿足給定速度變化的需要。當(dāng)BLDC處于穩(wěn)定狀態(tài)時，控制穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)BLDC出現(xiàn)負(fù)載變化時，調(diào)節(jié)BLDC運行狀態(tài)，具有抗擾作用。防止BLDC出現(xiàn)大幅度的變速，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅值，影響B(tài)LDC的電流大小。

2.2.2 電流調(diào)節(jié)器

電流調(diào)節(jié)器位于電流內(nèi)環(huán)，主要作用是調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的電流，起到抗擾效果。BLDC運行過程中，獲得最大的電流，提高閉環(huán)控制的響應(yīng)速度。如果BLDC出現(xiàn)過載問題，電流調(diào)節(jié)器調(diào)整電壓電流，形成對BLDC的保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)排除故障后，自動恢復(fù)BLDC運行。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of closed-loop control system

雙閉環(huán)控制技術(shù)可動態(tài)調(diào)整BLDC的運行狀態(tài)，通過對電流的控制，起到抗擾作用，防止BLDC出現(xiàn)電壓擾動和負(fù)載擾動，維持BLDC運行的穩(wěn)定性。電流內(nèi)環(huán)中安裝了電流調(diào)節(jié)器，當(dāng)電網(wǎng)中電壓電流出現(xiàn)波動后，啟動反饋功能，調(diào)節(jié)器及時進(jìn)行調(diào)節(jié)。使用速度調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)電流外環(huán)的負(fù)載擾動，提升控制系統(tǒng)的抗擾性，保證BLDC的運行穩(wěn)定。

3 空間矢量控制技術(shù)

空間矢量控制技術(shù)主要測量反電動勢波形，控制電機定子的電流矢量，應(yīng)用磁場定向理論調(diào)整BLDC中的勵磁和轉(zhuǎn)矩電流，進(jìn)而調(diào)整電機轉(zhuǎn)矩，維護(hù)電機的穩(wěn)定運行?？臻g矢量控制技術(shù)將電流矢量進(jìn)行分解，分成兩種電流：一是勵磁電流，二是轉(zhuǎn)矩電流，并調(diào)整這兩種電流的幅值和相位，形成對定子的控制，實現(xiàn)BLDC的高性能調(diào)速。矢量控制技術(shù)應(yīng)用的目的是通過定子電流的調(diào)整，提升轉(zhuǎn)矩控制性能，改善BLDC運行狀況。SVPWM也可稱為磁鏈軌跡法，在工程領(lǐng)域應(yīng)用較多。其從電機入手，從BLDC和電路角度進(jìn)行綜合考量，將三相對稱正弦波電壓供電時三相對稱電機定子理想磁通圓作為基準(zhǔn)，使用逆變電路切換的方式，調(diào)節(jié)線路中的磁鏈?zhǔn)噶?，使其無限接近磁通圓，達(dá)到脈沖寬度調(diào)制的目的。SPWM技術(shù)從電源角度出發(fā)，形成可調(diào)節(jié)的正弦波。與SPWM比較，SVPWM具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢，提高了電機運行效率，電能損耗較少。

4 結(jié)語

BLDC結(jié)構(gòu)分為換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、電動機本體三部分。電子換相電路由控制和驅(qū)動兩部分組成。轉(zhuǎn)子位置檢測使用無位置傳感器，應(yīng)用反電動勢檢測技術(shù)獲取轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置?？刂破鞯玫睫D(zhuǎn)子位置信息后，啟動BLDC。使用調(diào)速控制技術(shù)調(diào)整BLDC電路中的電壓和電流，增強了BLDC的抗擾性，保證了電機運行的穩(wěn)定性。使用空間矢量控制技術(shù)實現(xiàn)了BLDC的轉(zhuǎn)矩與磁通解耦，提升了BLDC調(diào)速質(zhì)量。