北 京 工 業 大 學 學 報 6無刷直流電機控制技術的發展綜述鄭鵬（北京工業大學電子信息與控制學院，北京，100124）摘 要：無刷直流電機控制系統是集電機技術、電力電子技術、控制理論和計算機技術等現代科學技術于一身的機電一體化系統。無刷直流電機在保持傳統直流電機優越的調速性能基礎上，克服了原來機械換向和電刷引起的一系列問題，在現在社會的各個領域均有較好的應用。新型稀土永磁材料的開發和利用，將會使無刷直流電機具有更加廣闊的應用前景。本文闡述了無刷直流電機的發展歷史，列舉不同的無刷直流電機速度智能控制技術，并展望了無刷直流電機的發展趨勢。關鍵詞：無刷直流電機；智能控制技術A Review on Control Technique for Brushless DC MotorZHENG Peng（College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）Abstract: Brushless DC motor control system rolled Motor Technology, Power Electronics Technology, Control Theory and Computer Technology and other modern science into its system. Brushless DC motor is not only maintaining superior speed performance, but also overcome a series of the original problems caused by brush and commutation. Its have a better application in all areas of society now. Development and use of new rare-earth permanent magnet materials will make a brushless DC motor with a more broad application prospects. This paper describes the history of the development of brushless DC motors, different speed intelligent control technology, and the development trend of brushless DC motor.Key words: Brushless DC motor; speed intelligent control technology目前，國內外對無刷直流電機（brushless DC motor，BLDCM）的定義一般有兩種：一種定義認為只有梯形波/方波無刷直流電機才可以被稱為無刷直流電機，而正弦波無刷電機則被稱為永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor, PMSM）；另一種定義認為梯形波/方波無刷電機和正弦波無刷電機都是無刷直流電機【1】。本文將采用第一種定義，把具有串勵直流電機啟動特性和并勵直流電機調速特性的梯形波/方波無刷直流電機稱為無刷直流電機。1.無刷直流電機的發展歷程現代社會中，電能是最常用且最為普遍的二次能源。而電機作為機電能量轉換裝置，經過一個多世紀的發展，其應用范圍已遍及現代社會和國民經濟的各個領域及環節。為了適應不同的實際應用，各種類型的電機應運而生，其中包括同步電機、異步電機、直流電機、開關磁阻電機和各種其他類型的電機，其容量小到幾毫瓦，大到百萬千瓦。目前，小容量的直流電機在自動控制系統中仍然得到廣泛應用。但是，傳統直流電機均采用電刷以機械方式換向，因而存在機械摩擦，使得電機壽命縮短，并帶來了噪聲、火花以及無線電干擾等問題，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而限制了其在某些特殊場合的應用【2、3】。因此，在一些對電機性能要求較高的中小型應用場合，亟須新型高性能電機的出現。無刷直流電機是在有刷直流電機基礎上發展起來的。1831年法拉第發現電磁感應現象，從此奠定了現代電機的理論基礎。19世紀40年代，第一臺直流電機研制成功。受電力電子器件和永磁體材料等發展的限制，無刷直流電機在一個多世紀后才面試。1915年，美國人Langmuir發明了控制柵極的水銀整流器，并制成了直流變交流的逆變裝置。針對傳統直流電機的弊病，20世紀30年代，一些學者開始研制采用電子換相的無刷直流電機，為無刷直流電機的誕生提供了條件。但由于當時的大功率電子器件還處于初級發展階段，沒能找到理想的電子換相器件，使得這種可靠性差、效率低下的電機只能停留在實驗室階段，無法推廣使用。1955年，美國的Harrison和Rye首次申請成功用晶體管換相線路代替電機機械電刷換相裝置的專利，這就是現代無刷直流電機的雛形，如圖1.1所示。其工作原理是，當轉子旋轉時，在信號繞組中感應出周期性的感應電勢，此電勢導致對應晶體管導通，這樣就使相應功率繞組輪流饋電，實現了換流。但該電機的問題在于：首先，當轉子靜止時，信號繞組內不產生感應電勢，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷電機無啟動轉矩；其次，信號電勢的前沿陡度不大，使得晶體管的功耗較大。為了克服這些弊端，人們采用了帶離心裝置的換相器，或在定子上防止輔助磁鋼的方法來保證電機可靠的啟動，但前者結構復雜，后者則需要附加的啟動脈沖。其后，經過反復實驗和不斷實踐，借助霍爾元件實現電子換相的無刷直流電機終于在1962年問世，從而開創了無刷直流電機產品化的新紀元。20世紀70年代初期，出現了比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管，借助磁敏二極管實現換相的無刷直流電機也試制成功。此后，隨著電力電子工業的飛速發展，許多新型的高性能半導體功率器件相繼出現，再加上釤鈷、釹鐵硼等高性能永磁材料的問世，均為無刷直流電機的廣泛應用奠定了堅實的基礎。圖1.1 無換向器直流電機模型1978年，聯邦德國Mannesmann公司Indramat分部在漢諾威貿易展覽會上正式推出MAC無刷直流電機及其驅動系統，這標志著無刷直流電機真正進入實用階段。之后，國際上對無刷直流電機開展了深入的研究，先后研制成梯形波/方波和正弦波無刷直流電機。正弦波無刷直流電機就是大家通常說的永磁同步電機。一般來講。它與梯形波/方波無刷直流電機均具有圖1.2（a）所示的拓撲結構，可看做是采用轉子位置反饋來進行換相控制，從而保證自同步運行切不需啟動繞組的永磁電機。同時，它們每相等效電路圖也是相同的，如圖1.2（b）所示，圖中L-M為每相等效電感。隨著永磁材料、微電子技術、電力電子技術、檢測技術以及自動控制技術特別是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）等大功率開關器件的發展，采用電子換相原理工作的無刷直流電機正朝著智能化、高頻化和集成化方向迅猛發展。逆變器M+-直流電源轉子位置傳感器（a）拓撲結構圖（b）等效電路圖圖1.2 無刷直流電機拓撲與等效圖20世紀90年代以后，計算機技術與控制理論發展十分迅速，單片機、數字信號處理器（DSP）、現場可編程門陣列（FPGA）、復雜可編程邏輯器件（CPLD）等微處理器得到了空前的發展，指令速度和存儲空間都有了質的飛越，進一步推動了無刷直流電機的發展。此外，一些先進的控制策略和方法，如滑模變結構控制、神經網絡控制、模糊控制、自抗干擾控制和自適應控制等【4-6】，不斷地被應用到無刷直流電機控制系統中。這些方法在一定程度上提高了無刷直流電機控制系統在轉矩波動抑制、轉速動態和穩態響應以及系統抗干擾等方面的性能，擴大了無刷直流電機控制系統的應用范圍，同時還豐富了相關控制理論的內涵。2.無刷直流電機速度智能控制技術2.1 模糊控制模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，其基本u=e。R概念由美國加利福尼亞大學著名教授查德首先提出，經過20多年的發展,在模糊控制理論和應用研究方面均取得重大成功。模糊控制的基本原理框圖如圖2.1所示，核心部分是模糊控制器，如圖中虛線框中所示部分。實現一步模糊控制算法的過程描述如下：微機通過周期中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號E一般選取誤差信號E作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差信號E的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差E的模糊量可用相應的模糊語言表示，得到誤差E用模糊語言表示的集合的一個子集e(e實際上是一個模糊矢量),再由模糊子集e和模糊控制規則R根據模糊推理的合成規則進行模糊規則決策,得到模糊控制輸出量u。 u=e。R (1)式中u是一個模糊量，需要進行反模糊化處理后,得到精確的數字控制量，經數/模轉換，變為相應的模擬量后送到執行機構，對受控對象進行控制。圖2.1 模糊控制系統的基本框圖模糊控制器的組成框圖如圖2.2所示。主要包括：輸入量模糊化、數據庫、規則庫、模糊推理機和反模糊化等五個部分。圖2.2 模糊控制器的組成結構圖1）模糊化接口模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于控制輸出的求解，因此它實際上是模糊控制器的輸入接口。它的主要作用是將真實的確定輸入轉換為一個模糊矢量。對于一個模糊輸入變量e,其模糊自己通常可以作如下方式劃分：e=負大,負小,零,正小,正大=NB,NS,ZO,PS,PBe=負大，負中，負小，零，正小，正中，正大=NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB2）數據庫數據庫中存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值（即經過論等級離散化以后對應值的集合），若論域為連續域，則為隸屬函數。在規則推理的模糊關系方程求解過程中,向推理機提供數據。3）規則庫模糊控制器的規則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期累積經驗，它是按照人類直覺推理的一種語言表達形式。模糊規則通常有一系列的關系詞連接而成，如if-then、else、also、end、or等。最常用的關系詞有if-then、also、or和and，假設現有一個模糊控制系統的輸入變量為誤差e和誤差變化ec，相對應的模糊語言變量為E和EC，通過一組模糊規則，可得模糊控制輸出變量U，如:R1：if E is NB and EC is NB then U is PB;R2：if E is NB and EC is NM then U is PB;R3：if E is NM and EC is NB then U is PB;R4：if E is NM and EC is NM then U is PB;R5：if E is NS and EC is NS then U is PM;等等規則庫中存放著全部模糊控制規則，在模糊邏輯推理時為模糊推理機提供控制規則。由上述可知，規則條數和模糊變量的模糊子集劃分有關，語言變量的模糊子集劃分越細，規則條數就越多。若能夠保證專家知識的準確度，那么，規則條數越多，規則庫的準確度就越高。4）模糊推理與反模糊化接口模糊推理是模糊控制中，根據輸入模糊量，由模糊控制規則完成模糊推理求解模糊方程，并獲得模糊控制量的功能部分。目前可用于模糊推理的方法很多，在實際系統處理時，為了不影響控制效果的實時性，通常采用運算較簡單的推理方法，而且，隨著現代微電子和集成技術的發展，具有此類功能的硬件芯片取得不斷進步并得到逐步應用。模糊邏輯推理與決策得到的是模糊化的控制量，需要經過反模糊化處理，求得精確的數字控制量，經數/模轉換后，變為精確的模擬量送給執行機構，對受控對象進行控制。通過上述分析，模糊控制器完成的工作可以概括為以下幾個部分：(l)采樣得到受控對象的狀態值，計算輸入變量；(2)將輸入變量進行模糊化處理，得到相應的模糊量；(3)由輸入變量的模糊量和模糊控制規則，經模糊邏輯推理與決策后得模糊控制輸出量；(4)由模糊控制輸出變量計算精確的控制量。2.2 遺傳算法優化控制簡單的遺傳算法只使用選擇算子、交叉算子和變異算子三種基本遺傳算子，其遺傳進化操作過程簡單，構成要素包括染色體編碼方法、個體適應度評價、選擇運算、交叉運算、變異運算和運行參數等。采用自適應交叉、變異的改進遺傳算法進行 PID 參數尋優。（1） 染色體編碼方式常見的編碼方式有二進制編碼和實數值編碼。采用二進制編碼時，編碼串過長，且需再解碼為實數，存在著量化誤差，降低了尋優速度和精度；實數編碼是對原參數直接進行遺傳操作，具有求解精度高、便于大空間搜索的優點。若系統有n個參數需要優化，可將這些參數作為分量構成一個M維行向量，得到個體的編碼為P=p1,p2,pn。其中P表示一個個體，pi是在第i個參數的參數空間內隨機產生的一個分量,n為所有待優化參數的數目。本文每個個體有三個分量 Kp、Ki、Kd，它們的取值范圍確定在0.000110之間。（2）初始種群的生成首先按照調節器的常規工程設計方法整定出參考值，然后在此數值附近生成初始種群。相比標準遺傳算法，按隨機的方法產生一定數目的個體組成初始群體，可使搜索空間縮小，從而迅速搜索到最優解。（3）適應度函數的選取為獲得滿意的動態過程，采用誤差絕對值時間積分性能指標作為參數選擇的最小目標函數。為防止控制量過大，在目標函數中加入控制輸入的平方項。選用式（2）作為參數選取的最優指標。（2）為避免超調,采用懲罰函數，一旦超調，將超調量作為最優指標的一項，此時最優指標計算公式為： （3）式(3)中:e(t)系統誤差；u(t)控制器輸出；tu上升時間；w1、w2、w3、w4權值，且 w4w1。適應度函數取為： （4）（4）最優保存策略與選擇方法最優保存策略是將遺傳操作后產生的當前代群體中最高適應度值與上一代群體的最高適應度值作比較，如果當前代最優個體優于上一代，則將其作為當前代的保留個體；否則，就淘汰新一代中的一個個體，并將上一代中具有最高適應度值的個體加入到新一代中。最優保存策略可保證當前的最優個體不會被交叉、變異等遺傳運算破壞。本文采用按比例適應度分配方法，即每個個體被選中的概率與其適應度成正比。設 fi為某個體的適應度值，則該個體被選中的概率 Pi為： （5）（5）自適應交叉、變異算法進行交叉率 Pc和變異率Pm的自適應調整計算: （6） （7）式（6）、(7) 中 k1、k2、k3、k4為常數， fmax是最大適應度值，favg為種群平均適應度值, f表示參與交叉的兩個個體中較大的適應度，f表示變異個體的適應度。（6） 遺傳算法優化 PID 參數的步驟利用遺傳算法優化 Kp、Ki、Kd的具體步驟如下：確定每個參數的大致范圍，進行編碼；隨機產生 n 個個體構成初始種群；由式(1)、 (2)計算J, 再計算出適應函數值fi； 應用選擇、交叉、變異算子對種群進行操作, 產生下一代種群；重復步驟、 ,直到參數收斂或達到預期目標。2.3 灰色控制灰色系統理論的研究對象是“部分信息已知，部分信息未知”的“貧信息”不確定性系統，它通過對“部分”已知信息的生成、開發，實現對現實世界的確切描述和認識。灰色系統的一些基本原理如下：公理 1（差異信息原理）：“差異”是信息，凡信息必有差異。公理 2（解的非唯一性原理）：信息不完全、不確定的解是非唯一的。公理 3（最少信息原理）：灰色系統理論的特點是充分開發利用已占有的“最少信息”。公理 4（認知根據原理）：信息是認知的根據。公理 5（新信息優先原理）：新信息對認知的作用大于老信息。公理 6（灰性不滅原理）：“信息不完全”（灰）是絕對的。灰色系統理論的主要任務之一，就是根據社會、經濟、生態等系統的行為特征數據，尋找不同系統變量之間或某些系統變量自身的數學關系和變化規律。灰色系統理論認為任何隨機過程都是在一定幅值范圍和一定時區內變化的灰色量，并把隨機過程看成灰色過程。事實上，研究系統的行為特征，得到的數據往往是一串確定的白數，我們把它看成是某個隨機過程的一條軌道或現實，或是看成灰色過程的白化值，這并沒有本質上的區別。如何通過系統行為特征數據研究其發展規律，不同的方法思路也不一樣。隨機過程是以先驗規律為出發地點，研究數據的統計規律。這種方法是建立在大量數據的基礎上的。但有時候，即使有了大量數據也未必一定能找到統計規律。因為概率論或隨機過程中研究的典型分布是十分有限的，對于非典型的分布過程（如平穩過程、高斯過程、馬爾可夫過程或白噪聲過程等以外的分布過程），往往難以處理。灰色系統是通過對原始數據的挖掘、整理來尋求其變化規律的，這是一種就數據尋找數據的現實規律的途徑，稱之為灰色序列生成。灰色系統理論認為，盡管客觀系統表象復雜，數據離亂，但它總是有整體功能的，因此必然蘊含某種內在規律。關鍵在于如何選擇適當的方式去挖掘它和利用它。一切灰色序列都能通過某種生成弱化其隨機性，顯示其規律性。3.無刷直流電機發展趨勢無刷直流電機主要由電機本體、功率驅動電路和位置傳感器三部分組成，其控制涉及電機技術、電力電子技術、檢測與傳感器技術和控制理論技術。因此，新電子技術、新器件、新材料及新控制方法的出現都將進一步推動無刷直流電機的發展和應用。3.1 電力電子及微處理器技術對無刷直流電機發展的影響1）小型化與集成化微機電系統（MEMS）技術的發展將使電機控制系統朝控制電路和傳感器高度集成化的方向發展，如將電流、電壓、速度等信號融合后再進行反饋，可使無刷直流電機控制系統更加簡單和可靠。另外，由于無刷直流電機采用稀土永磁材料制作轉子，轉子無熱源，故電機內部溫升值較傳統直流電機小很多，使無刷直流電機逆變器控制電路裝入電機內部成為可能。2）控制器全數字化無刷直流電機性能的改善和提高，除了與電機轉子永磁材料及電子驅動電路密切相關外，更與其控制器密切相關。因此，也可以從提高電機控制器的性能著手提高無刷直流電機控制系統的整體性能。高速微處理器及高密度可編程邏輯器件技術的出現，為此提供了可行的方案和可靠的保證。3）綠色PWM控制及其高效化在無刷直流電機控制系統中，當逆變器采用三相六狀態120兩兩導通方式時，每個電周期共有六個扇區，每個扇區各占60電角度，每個功率器件在一個電周期內導通120電角度。根據功率器件在導通周期內調制方式的不同，無刷直流電機PWM控制方式可以分為半橋調制和全橋調制兩種模式。每種調制模式都有自己的優缺點，實際應用時根據用戶對轉矩波動、系統效率和無位置傳感器控制方式等要求進行合理的選擇。無刷直流電機控制系統采用雙極性功率晶體管（BPT）驅動時，驅動電路的開關頻率一般在25kHz，不利于人體健康。同時，在繞組電感不夠大時，繞組電流波形不太平滑、波動較大。采用MOSFET和IGBT之后，開關頻率可達幾十千赫茲以上。這樣，不論電磁噪聲還是電流波形都能得到改善。3.2 先進控制策略的應用現代工業中對電機性能要求越來越高，無刷直流電機性能的改善可以通過電機本體優化設計及電力電子裝置的控制來實現，也可利用各種先進的控制策略來完成。無刷直流電機控制系統是典型的非線性、多變量耦合系統，傳統的PID控制算法簡單、易