无刷直流电机的控制策略与无刷直流电机仿人智能系统设计

　　无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。上世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

　　无刷直流电机的控制策略

　　一般的自同步无刷直流电动机逆变器和驱动的结构图如图1所示。图中所示之驱动系统通常较多用于电压源逆变器（VSI）。电压源逆变器的对应是电流源逆变器（CSI）。VSI之所以较为广泛运用是因为其成本、重量、动态性能，以及易于控制均优于CSI。两种逆变器重量和成本的差异是由于VSI采用电容器进行直流耦合，而CSI须要在整流器和逆变器之间接有笨重的电抗器。VSI在动态响应能力上也与CSI不同。由于大的电抗器的作用就是满足CSI作为恒流源的较大的换向重叠角的需要，防止电机绕组中电流的快速变化，抑制电机的高速伺服运行。这就会加大驱动系统中阻尼器的尺寸。对于CSI所期望得到的恒流控制和恒转矩控制性能，在VSI中，也可通过其内部的电流控制环中滞后型电流控制而近似得到。

　　术语"自同步"指的是为了定子相电流脉冲与电机各相反电势一致所需正确的各管导通顺序，驱动电路对即时转子位置信息的要求。

　　图1基本的无刷直流电动机驱动

　　图2是无刷直流电动机一经典的位置和转速控制方案的方框图。如果仅仅期望转速控制，可以将位置控制器和位置反馈电路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和转速传感器都是需要的。如果仅有位置传感器而没有转速传感器，那就要求检测位置信号的差异，在模拟系统中就要导致噪声的放大；而在数字系统中这不是问题。对于位置和转速控制的无刷直流电动机，位置传感器或者是其他获取转子位置信息的元件是一定要的。

　　图2经典转速和位置控制无刷直流电动机系统方框图

　　许多高性能的应用场合为了转矩控制还需要电流反馈。至少，需要汇线电流反馈来防止电机和驱动系统过流。当添加一内电流闭环控制就能实现非常快的电流源逆变器那样的性能，而不需要直流耦合电抗器，它被称为电流调节电压源逆变器。驱动中的直流电压调节也可由作用类似直流电源的可控整流器来实现，或者既可通过在变换器中将PWM信号同时加在上下开关，也可通过仅仅加在上开关或下开关来实现。

　　无刷直流电机仿人智能系统设计

　　无刷直流电机（BLDC）是一种多变量和非线性系统，其利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此这种电机不仅保留了直流电机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及。本文在分析了无刷直流电机数学模型的基础上，建立了基于仿人智能控制的双闭环控制系统，转速环采用基于速度特征状态多模态控制的仿人智能控制算法，电流环采用传统PI控制算法。

　　在Matlab平台上建立了基于仿人智能控制的无刷直流电机双闭环系统的仿真模型，包括仿人智能速度控制器模块、PI电流控制器模块、换相逻辑模块、电流采样模块和电机本体模块。通过在线调整、仿真并与其他控制算法相比较，仿真实验结果表明：仿人智能控制具有更好的动、静态性能。

　　随着对控制精度以及控制系统的稳态和动态性能要求的提高，对无刷直流电机采用传统的PID控制器往往难以满足系统的性能要求。国内外众多学者在研究无刷直流电机的各种智能控制算法上取得了一定成果，然而目前无刷直流电机的各种智能控制算法还存在控制算法复杂、参数优化等方面的问题。

　　仿人智能控制是直接对人的控制经验、技巧和各种直觉推理逻辑进行测辨、概括和总结，并将其编制成简单、精度高、能实时运行的控制算法。仿人智能控制方法具有多模态多控制器的结构，将其应用于无刷直流电机的控制能够较好地解决当前该领域控制器结构复杂、调节困难、响应迟钝和不利于在线实现等问题。

　　本文所设计的无刷直流电机的反电动势的为 120°梯形波，电流为方波，工作在两相导通星形三相六状态。设计的无刷直流电机控制系统为双闭环控制系统，如图1所示。

该系统可以达到无刷直流电机转速输出值稳、快、准的跟随转速给定值的控制效果。控制系统设置转速和电流两个控制器，控制器实行串级连接。速度控制器采