夏 偉

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

無刷直流電機(jī)(BLDC)由于運(yùn)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(jī)損壞概率，應(yīng)用反電動勢檢測技術(shù)，提升了換相點(diǎn)定位精度，推動了無刷直流電機(jī)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(jī)換相點(diǎn)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(diǎn)。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(jī)狀態(tài)下或低速運(yùn)行狀態(tài)下的BLDC換相點(diǎn)，一旦濾波結(jié)束則不能應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行換相點(diǎn)的檢測，只可對電機(jī)進(jìn)行開環(huán)控制。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，受濾波電路的影響，導(dǎo)致反電動勢檢測的換相點(diǎn)不準(zhǔn)確，其濾波相位延時(shí)與實(shí)際的90°有一定的差距。為了解決這個(gè)問題，三次諧波積分檢測方法和續(xù)流二極管法應(yīng)運(yùn)而生，該方法提高了換相點(diǎn)檢測的準(zhǔn)確性，使用誤差校正法，彌補(bǔ)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?；蚴褂萌问絾?，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(shí)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(diǎn)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(bǔ)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(bǔ)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(shí)接收反饋信息，在第一時(shí)間做出反應(yīng)，極大減少了響應(yīng)時(shí)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(diǎn)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(jī)帶載時(shí)只有一個(gè)做功，需要進(jìn)行補(bǔ)償，通過提高電機(jī)的電流進(jìn)行補(bǔ)償，使電機(jī)失去一定的動能，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。開環(huán)控制在實(shí)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(shí)，轉(zhuǎn)速變化幅度較大，影響電機(jī)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(gè)或多個(gè)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(shí)，控制穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)BLDC出現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)，調(diào)節(jié)BLDC運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(yùn)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩，維護(hù)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)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(shí)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(yùn)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(jī)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(shí)三相對稱電機(jī)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)噶浚蛊錈o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(jī)運(yùn)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(jī)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(qiáng)了BLDC的抗擾性，保證了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。使用空間矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了BLDC的轉(zhuǎn)矩與磁通解耦，提升了BLDC調(diào)速質(zhì)量。