無刷直流電機無位置傳感器控制的研究進展

王競博

（南京郵電大學自動化學院，江蘇南京210023）

0 引言

與有刷直流電機相比，無刷直流電機[1]具有結構簡單、效率高、成本低和可靠性好等優勢，因此在航空航天、家用電器和電動交通工具等領域得到了廣泛的應用。無刷直流電機無位置傳感器控制技術降低了系統硬件成本，簡化了設計，大大拓展了無刷直流電機的應用范圍。無刷直流電機無位置傳感器控制技術可分為兩個部分：轉子位置估計和電機控制，提高轉子位置的估計精度和電機控制的性能是改善系統運行狀況的關鍵。

目前，國內外專家學者在轉子位置估計算法和電機控制算法領域的研究均取得了諸多進展，本文總結了兩個領域的最新成果，包括各種算法的原理、優缺點和應用范圍，可為工程設計人員提供有價值的參考。

1 無刷直流電機轉子位置估計算法

目前，常用的無刷直流電機轉子位置估計算法包括反電動勢檢測法、電感法和觀測器法。其中，反電動勢檢測法可細分為反電動勢過零法、反電動勢積分法、續流二極管法和三次諧波法，觀測器法可細分為卡爾曼濾波法、滑模觀測器法。近年來，國內外專家學者經過細致研究，對上述方法做出了有意義的改進，下面介紹各方法的研究進展。

文獻[2]在傳統的反電動勢過零檢測法的基礎上，提出了基于線電壓的無刷直流電機轉子位置實時估計方法。該方法通過檢測電機任意兩相線電壓，經過計算得到懸空相的反電動勢過零時刻，再延遲30°的電角度即可得到換相點。此外，文獻[3]分析了該方法在不同PWM調制模式下懸空相的續流情況，指出在雙管調制下懸空相無續流，而在單管調制模式下懸空相存在續流的結論，因此該方法僅適用于雙管調制模式。與傳統反電勢過零法相比，該方法不用重構電機中點，無需深度濾波，因此結構簡單，靈敏度較高。

文獻[4]在傳統續流二極管法的基礎上，提出了一種帶互補補償的改進續流二極管法。傳統的續流二極管法由于功率器件存在壓降和相位延遲，因此得到的換相點存在誤差，而改進的方法通過改變PWM的調制模式避免了這一缺陷。通過搭建PSPice仿真模型，驗證了此方法能夠有效檢測出換相時的轉子位置信號。

文獻[5]在傳統電感法和反電動勢檢測法的基礎上，提出了間接電感法，解決了電機低速和靜止狀態下轉子位置的檢測問題。通過理論分析和實驗測試證明了該方法與電機轉速無關，并指出該方法對于三角型連接的無刷直流電機以及常見的星型連接無中性點引出線的無刷直流電機同樣有效，因此大大擴展了間接電感法的應用范圍。

文獻[6]通過理論分析和實驗測試，指出傳統的三次諧波方法存在自同步切換失敗的情況。在此基礎上，作者提出了基于三次諧波檢測和A相過零點檢測對轉子位置進行定位的新方法。通過搭建位置信號檢測電路，基于DSP實現轉子位置檢測算法，實驗結果表明該方法能夠準確檢測出換相點，位置檢測的精度和可靠性得到了增強。

文獻[7]針對卡爾曼濾波器法位置估計結果易發散的問題，提出了帶有衰減記憶的卡爾曼濾波器法。作者以相電流、轉速和轉子位置為狀態變量建立了狀態方程，通過優化卡爾曼濾波增益來降低累積誤差。通過仿真和實驗驗證了該方法在不同的運行狀況下均能提供準確的換相信號，系統發散問題得到了解決，提高了系統的魯棒性。

文獻[8]提出了基于雙曲正切函數的滑模觀測器法，與基于符號函數的滑模觀測器法相比，系統的陡振顯著降低。由于雙曲正切函數是光滑的連續曲線，因此控制系統不必外加低通濾波器和相位補償環節就能夠得到線反電動勢的估計值，提高了估計精度。實驗結果表明該方法能夠準確得到換相點。此外，文獻[9]提出了基于飽和函數的滑模觀測器法，以相電流的量測值與觀測值之差作為滑模面，再根據反向電動勢與轉速的關系推導出轉子的位置和轉速。通過調節邊界層的厚度，有效降低了系統的陡振。

2 無刷直流電機控制算法

在無刷直流電機控制方面，傳統的控制方法是將無刷電機看作線性定常系統，利用經典PID控制理論設計控制算法。然而，由于負載變化、外界擾動、摩擦阻尼以及磁場非線性的影響，無刷電機系統實際上是非線性的多變量系統。傳統的PID控制器參數是固定的，對工況變化的適應性較差，通常需要人為地不斷整定。隨著控制器處理速度的加快，通過設計復雜的控制算法提高控制系統的適應性成為可能。近年來，國內外學者圍繞無刷直流電機控制，開展了模糊控制、自適應控制、神經網絡控制、預測控制等一系列研究，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缺點。

文獻[10]設計了模糊PID無刷直流電機轉速控制器，仿真表明，與傳統的PID控制相比，該方法降低了轉速調節時間和超調量。在此基礎上，又設計了模糊PD+模糊ID控制相結合的控制器，仿真表明該方法提高了系統的抗負載擾動的能力，并且在消除轉矩穩態誤差方面具有顯著的優越性，為實際應用提供了有效的理論依據。

文獻[11]基于波波夫（Popov）超穩定性理論設計了無刷直流電機模型參考自適應控制器，該控制器以期望系統模型為參考模型，以轉動慣量為未知參數，采用非線性自適應控制律使實際模型與參考模型的輸出一致，從而保證系統滿足性能要求。仿真結果表明，采用該控制器時，電機輸出轉矩在啟動、負載變化的情況下，波動明顯減小，從而提高了系統的抗干擾性能。

文獻[12]為了解決BP神經網絡收斂速度慢的缺陷，將具有免疫反饋的神經網絡控制器應用于無刷直流電機的轉速控制當中。通過利用免疫反饋規則調節BP神經網絡的學習速率，成功加快了神經網絡的收斂速度。仿真和實驗表明，采用該方法的轉速控制系統響應變快、超調量減小，并且對電機參數變化具有一定的自適應性。此外，文獻[13]為了解決BP神經網絡控制存在的功率管誤導通問題，提出了利用粒子群（PSO）優化算法對BP神經網絡進行優化，進而用于無刷直流電機控制的方法。仿真表明，該方法能夠取得滿意的效果。

文獻[14]針對無刷直流電機換相時轉矩存在波動的問題，提出了將無模型控制與預測控制相結合的控制方法。該方法將無刷直流電機控制系統的泛模型作為預測模型，通過代價函數選擇最優的開關狀態，從而保持非換相的電流恒定。實驗結果表明，該方法能夠有效抑制電機換相時的轉矩波動，并且控制器設計過程對電機參數的依賴性較低，算法簡單，容易實現。

文獻[15]針對工業電鉆轉矩與轉速控制效果差的問題，提出了無刷直流電機轉矩與轉速的協調控制策略。在該控制策略下，當用戶設定轉矩大于負載轉矩時，首先控制轉矩保持設定轉矩不變，則電機轉速將逐漸增加，當電機轉速達到設定轉速上限時，再控制轉速不變，直至電機輸出轉矩等于負載轉矩；當用戶設定轉矩小于負載轉矩時，電機轉速將逐漸降低，當轉速達到設定轉速下限時，發出報警信息，電機轉速將降低至零速；當用戶設定轉矩等于負載轉矩時，系統保持轉矩和轉速不變。通過搭建實驗平臺，驗證了無刷直流電機轉矩和轉速協調控制策略的正確性。

文獻[16]設計了無刷直流電機自抗擾速度控制器，自抗擾技術對系統內部的不確定性因素以及外界擾動均具有較強的適應性。仿真和實驗結果表明，采用該控制方法的無刷直流電機速度響應較快、超調較小，具有較強的工程適用性。

3 結語

本文總結了無刷直流電機無位置傳感器控制技術的研究進展，包括轉子位置估計算法和電機控制方法。其中，轉子位置估計算法的研究進展主要是對傳統方法的改進，提高了位置估計精度，拓展了應用范圍。電機控制方法的研究進展主要是將新型控制算法應用于無刷直流電機控制，改善了控制系統的魯棒性和自適應能力，具有一定的工程應用價值。

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