先进节能直流无刷电机控制器研究

先进节能直流无刷电机控制器研究

刘唐根

东昌电机（深圳）有限公司

据调查数据统计，全球每年消耗在电机上的电量约占总电力的一半以上，照明、冷气或供暖、其他电子行业用电都占不足20%。换句话说，如果将电机工作效率提高10%，每年可节省近100亿度电，这些电量相当于一个中型核能发电站甚至大型核能发电站的年发电量。在全球普及环保提议的现阶段，升级电动机，提高工作效率已经成为不可忽视的节能手段。本文结合国内外先进的节能直流无刷电机的成功设计案例，简要介绍基于专业集成电路控制的无刷电机控制器的设计方法，望对相关从业者有些许帮助：

1、节能直流无刷电机控制器简述

现阶段，一般家庭的电器的驱动电机可分为直流电机和交流电机两种，而前者又可以分成直流有刷电机和直流无刷电机。在此主要简介直流无刷电机的特性。直流无刷电机更加符合我国现阶段的生产模式和环保工作，作业安静，噪声小，避免后期维修和保养，工作寿命长，体积小巧，占地不大，且输入输出比较大，工作效率较高。所谓的直流无刷电机，一般由电动机主体和传送驱动器两部分组成，是现代化生产过程中经常用到的机电一体化的典型产品。而本文主要讲述的先进节能直流无刷电机控制器，是在普通直流无刷电机的基础上，响应国家低碳环保的号召，结合先进的科学技术，达到工作效率更高，从而降低能源消耗的目的。先进节能直流无刷电机在技术层面上比其他电机都高，因此拥有更高的附加价值，能够负担起能源节约与低碳环保双重任务，保证生产过程高效进行。

2、电机控制系统的结构与原理简述

直流无刷电机的结构比较复杂，一般可以分成电子换向器、电动机本体、位置传感器三大部分。利用电子换向，代替传统的电刷机械换向，将位置传感器获取的位置信号转换成功率的开关信号，按照次序将功率逆变桥上的六个功率管前后导通，保证直流无刷电动机在正常工作过程中，定子绕组产生磁场，转动中的转子用词磁场，在三维空间中，始终保持（1/2）πrad左右的夹角，这样才能够形成电动机的不停运转。另外，还存在这样两种直流电流中的无刷电机控制系统：

①采用常规PID控制器的直流电流中的无刷电机控制系统

采用常规PID控制器的直流无刷电机控制的系统一般包括以下几个部分：位置环、速度环、电流环。这几个部分统筹兼顾，实现对电机的有效控制。

②采用自整定模糊PID控制器的电机控制系统

采用自整定模糊PID控制器的电机控制的系统的原理是：模糊推理系统以速度误差ev（k）和误差变化率de/dt作为主要输入数据，采用模糊推理的方法，实现对PID参数KP、Ki、Kd等有效数据的线性定位，并整定，是被控制的电机保证良好的静态、动态性能和工作状态。

3、基于MATLAB的系统模型建立

简要以某个无刷直流电机为例，假设某台无刷直流电机的额定转速为1500r/min，定子相绕组的电阻为R=1Ω，转动惯量J=0.00492kg一平方米，定子端的L-M=2.7MH，额定转速，极对数np=4，供电电源采用普通额定电压220V，另外，直流无刷电机采用Y型接法，保证正向和反向通电都是1200。首先对传统的PID控制器进行仿真对比，对比所设计的控制系统的动态特性和静态特性，以及改变电机的负载状态，考量电机的突加负载状态和突减负载状态下的工作状态。其次，对自整定模糊PID控制器进行仿真对比，同样得出在动静两态下的特性仿真曲线。

①突加负载时的转速仿真

在完成控制系统的对突加负载时的转速仿真过程中：

采用自整定模糊PID控制器进行仿真对比时，在加负载后，t=1s时，要注意减去负载，再记录下此时的转速曲线。

②突减负载时的转速仿真

在完成控制系统的对突减负载时的转速仿真过程中：

采用传统PID控制器进行仿真对比时，加负载后，取时间t=1s时，减去负载，记录此时的转速曲线；

方法相同，采用自整定模糊PID控制器进行仿真对比时，也是在加负载后，取t=1s时，减去负载，再记录下此时的转速曲线。

4、传统PID控制器的调节

对传统离散型PID控制器的控制太调节原理要从每个涉及到的参数入手，专业研究人员针对不同的速度偏差和速度偏差变化率，总结出了一套关于KP，Ki，Kd等重要参数的整定原则：

①控制器输入量较大时，以第k个采样时刻为例，为了保证系统的追踪性能，选择较大的KP与较小的Kd值，能使系统具有良好的跟踪性能，同时为避免电机控制系统响应出现较大的超调，影响实验结果，应对积分部分加以约束，所以通常取Ki值为0。

②控制器输入量保持与速度偏差变化率等大小时，以第k个采样时刻为例，为了使系统具有较小的超调，KP的值应取得小一些。在这种情况下，为了减小Kd的取值对电机控制系统的影响，Kd值应取得小一些，而Ki的取值要符合规范，大小要适当。

③控制器输入量较小时，以第k个采样时刻为例，为使电机控制系统具有较好的稳定性能，KP值与Ki值均应取得大一些，同时为避免电机控制系统在设定值范围内，出现波动振荡，当|ev(k)|较大时，对应的Kd值可取得小一些；相反，较小时对应的Kd值可取得大一些。

5、直流电流中的无刷电机控制系统的软件设计

整个电机控制行业中，软件设计的重点一般围绕控制系统的程序设计开展。在直流电流中的无刷电机控制系统的软件设计上，比较重要的部分优势直流电流中的无刷电机控制系统的主程序设计、电机控制系统内部程序设计、电机控制系统内部中断程序设计等环节。尤其是中断程序子系统的设计与实现，能够更好的发挥电机控制系统各个功能的正常发挥。关于直流电流中的无刷电机控制系统主程序的设计流程方面，具体可划分成以下几个步骤：DSP及各个模块初始化，DSP自检，转子磁极位置采样，转子转速计算，定子电流采样，电流滤波，变换Clarke，变换Park，调节电流以及Svpwm的控制等。

简单描述，在整个电机控制系统正常运转的过程中，Svpwm的控制是基本的调制技术，也是矢量控制的核心。直流电流中的无刷电机控制系统DSP软件要想完成所有的工作任务，必须通过：电机控制系统内部各软件功能模块的初始化任务；软件设计流程对电流的统计采样这四个环节。

结语：

综上所述，电力是21世纪应用最多的能源之一，在环保意识逐渐普及的今天，降低电能消耗，提高电机驱动的工作效率是很多科研人员共同追求的目标。不久的将来，BLDC或PMSM电机的无传感器、霍尔传感器以及高阶电机驱动器的无传感器与PFC都是发展的主流趋势。

参考文献：

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[2]蒋元广，施周，孙晓东，李艳会.电动车用直流无刷电机不同永磁结构对比分析[J].电气传动，2019，49(02):61-65.

[3]陈景芳，单春贤，蔡健.基于爬虫算法的无刷直流电机PI参数的整定研究[J].通信电源技术，2019，36(01):28-31.