無刷直流電機控制技術研究

夏 偉

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

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

1 無位置傳感控制技術

1.1 反電動勢檢測技術

電機換相點測量使用的是反電動勢檢測技術，應用反電動勢信號，將其在硬件濾波相位延遲90°，獲得BLDC換相點。反電動勢檢測技術在應用上具有一定的局限性，只能檢測關機狀態下或低速運行狀態下的BLDC換相點，一旦濾波結束則不能應用該技術進行換相點的檢測，只可對電機進行開環控制。當電機高速運行時，受濾波電路的影響，導致反電動勢檢測的換相點不準確，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流二極管法應運而生，該方法提高了換相點檢測的準確性，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

在凸極效應作用下，繞組電感的位置會跟著轉子的位置而改變，可使用電感變化確定轉子位置。常用的檢測方法是使用非導通相的端電壓，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，通過非導通相的參數變化確定轉子位置，使BLDC正常啟動。

1.3 狀態觀測器

應用電壓和電流建立模型，通過狀態模型確定轉子位置。主要方法有神經網絡法、滑模觀測器法、卡爾曼濾波器法。其中，滑膜觀測法對技術要求不高，所以實際應用比較廣泛。可使用狀態器觀測反電動勢的信號，從而判斷轉子位置。

2 調速控制技術

BLDC調速系統的開環控制存在一定的不足，缺少反饋環節，系統發出命令后，沒有得到執行指令后的反饋信息，影響系統的穩定性。其優點是指令發出后，不會影響其他系統功能，由于缺少校正和補償功能，一般用于穩定性要求不高的系統中。雙閉環控制可彌補開環控制的不足，添加了反饋環節，使系統能夠及時接收反饋信息，在第一時間做出反應，極大減少了響應時間，可應用于結構復雜、對控制技術要求較高的系統中。

2.1 開環控制技術

開環控制的優點是在發出指令后，不會影響控制器的輸出，當控制器發出指令后，控制系統自動執行指令，BLDC得到指令后開始響應。開環控制結構簡單，直接控制BLDC的轉速，但由于缺少反饋環節，電機帶載時只有一個做功，需要進行補償，通過提高電機的電流進行補償，使電機失去一定的動能，降低電機的轉速。開環控制在實際應用中形成靜態速降，存在靜特性差的問題，當轉矩發生變化時，轉速變化幅度較大，影響電機的穩定性。

2.2 雙閉環控制技術

雙閉環控制系統具有一個或多個閉環，發出控制指令后，反饋執行信息并影響控制器。雙閉環控制系統結構分為兩部分：一是電流內環，二是速度外環，由轉速調節器和電流調節器進行系統控制，具體作用如下：

2.2.1 轉速調節器

轉速調節器負責閉環控制系統的外環調節，調整輸出轉度，滿足給定速度變化的需要。當BLDC處于穩定狀態時，控制穩態誤差。當BLDC出現負載變化時，調節BLDC運行狀態，具有抗擾作用。防止BLDC出現大幅度的變速，通過轉速調節器的限幅值，影響BLDC的電流大小。

2.2.2 電流調節器

電流調節器位于電流內環，主要作用是調節電網中的電流，起到抗擾效果。BLDC運行過程中，獲得最大的電流，提高閉環控制的響應速度。如果BLDC出現過載問題，電流調節器調整電壓電流，形成對BLDC的保護，當系統排除故障后，自動恢復BLDC運行。

圖1 閉環控制系統結構圖Fig.1 Structure drawing of closed-loop control system

雙閉環控制技術可動態調整BLDC的運行狀態，通過對電流的控制，起到抗擾作用，防止BLDC出現電壓擾動和負載擾動，維持BLDC運行的穩定性。電流內環中安裝了電流調節器，當電網中電壓電流出現波動后，啟動反饋功能，調節器及時進行調節。使用速度調節器，調節電流外環的負載擾動，提升控制系統的抗擾性，保證BLDC的運行穩定。

3 空間矢量控制技術

空間矢量控制技術主要測量反電動勢波形，控制電機定子的電流矢量，應用磁場定向理論調整BLDC中的勵磁和轉矩電流，進而調整電機轉矩，維護電機的穩定運行。空間矢量控制技術將電流矢量進行分解，分成兩種電流：一是勵磁電流，二是轉矩電流，并調整這兩種電流的幅值和相位，形成對定子的控制，實現BLDC的高性能調速。矢量控制技術應用的目的是通過定子電流的調整，提升轉矩控制性能，改善BLDC運行狀況。SVPWM也可稱為磁鏈軌跡法，在工程領域應用較多。其從電機入手，從BLDC和電路角度進行綜合考量，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，使用逆變電路切換的方式，調節線路中的磁鏈矢量，使其無限接近磁通圓，達到脈沖寬度調制的目的。SPWM技術從電源角度出發，形成可調節的正弦波。與SPWM比較，SVPWM具有很大的應用優勢，提高了電機運行效率，電能損耗較少。

4 結語

BLDC結構分為換相電路、轉子位置檢測電路、電動機本體三部分。電子換相電路由控制和驅動兩部分組成。轉子位置檢測使用無位置傳感器，應用反電動勢檢測技術獲取轉子的準確位置。控制器得到轉子位置信息后，啟動BLDC。使用調速控制技術調整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定性。使用空間矢量控制技術實現了BLDC的轉矩與磁通解耦，提升了BLDC調速質量。