永磁无刷直流电机的控制

　　永磁无刷直流电机不仅保持了传统永磁直流电机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制，其应用也从初的军事工业，向航空航天、信息、家电、医疗以及工业自动化领域迅速发展。永磁无刷直流电机已不再专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电机外部特性的电子换相电机。

　　随着永磁材料、电子技术、自动控制技术以及电力电子技术，特别是高频、大功率开关器件的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术也得到了长足的进步和发展。从1932年奈奎斯特发表关于反馈放大器稳定性的经典论文开始，至今已经经历了经典控制理论阶段和现代控制理论阶段。经典控制理论阶段涉及的对象是线性单回路系统，而现代控制理论的研究重点是多变量线性系统。目前，对于线性系统的分析与设计已形成了一套完整的理论体系，这些理论和方法在永磁无刷直流电机上得到广泛的应用，并获得了巨大的成就。但严格地讲，永磁无刷直流电机是一个多变量、非线性系统，线性是在一定的范围内和一定程度上对永磁无刷直流电机系统的近似描述。而在对永磁无刷直流电机控制系统的和性能要求较低的应用场合，可忽略系统的非线性，或者局部线性化后，在一定范围内可以满足对控制的要求。

　　目前，实际应用较多的仍然是经典的PID控制，其算法简单紧凑，运行可靠，控制器可以由模拟电路实现。现代控制理论如控制、自适应控制的应用，有效地提高了电机的运行性能。但永磁无刷直流电机控制的发展仍然面临着一系列的挑战，明显的挑战是永磁无刷直流电机的本质非线性，而且其运动通常是大范围的，这类运动控制问题都不宜采用线性模型。近年来，永磁无刷直流电机非线性控制理论的研究受到了控制理论界空前的关注。同时，数字信号处理器和可编程逻辑器件技术的不断进步，也为发展和应用一般的永磁无刷直流电机非线性控制方法提供了可能性。永磁无刷直流电机非线性控制系统的研究几乎是与其线性控制方法并行的，并已经将诸如相平面方法、描述函数方法、微分几何方法、微分代数方法、滑动模态的变结构控制方法、逆系统方法、模糊控制方法、神经网络控制方法以及混沌动力学方法等，用于永磁无刷直流电机控制系统。

　　由于存在转矩脉动，使得永磁无刷直流电机在伺服系统中的应用受到了限制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化，因而抑制或消除转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。国内外的研究人员对转矩脉动抑制问题做了大量而深人的研究，针对不同的产生原因，提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，从不同程度上提高了永磁无刷直流电机的性能。但是这些研究均是在原有结构、方案上提出了一些削弱或补偿的方法，没有从原理上或者根本上消除转矩脉动，因而转矩脉动还有待于进一步的研究。

　　对于转速和位置的控制，在有光电码盘、旋转变压器等测速装置提供高的转速反馈后，采用PID控制方法通常能够满足控制要求。而对于要求高和动态响应性能的永磁无刷直流电机系统，现代控制方法更为适宜。

　　此外，转速的锁相环控制是获得转速控制高的有效方法，但其动态响应、抗干扰能力不够理想，特别是大转动惯量永磁无刷直 流电机的锁相环控制系统快捕带极窄，对扰动和噪声极其敏感，容易引起失锁和误锁定，这主要是由于锁相环鉴相器的非线性鉴相特 性所决定的。研究锁相环控制的非线性控制方法，是提高其动态响应性能和抗干扰能力的有效途径，这些锁相环非线性控制方法同样 有待于进一步研究。从锁相环控制的鉴相器实现方式来看，可分为模拟锁相环、模数混合锁相环、数字锁相环和软件锁相环。要应用 锁相环非线性控制方法，采用软件来实现锁相环是必要的。