基于模糊PID控制的无刷直流电机调速(3)
(3)精密控制方面的应用
伺服电动机在工业自动化领域的高精度控制中扮演了一个十分重要的角色，应用场合不同，对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同，在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制形式：转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制。无刷直流电动机由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系统中逐步取代了直流电动机与步进电动机，成为其首选的伺服电动机之一。目前，扫描仪、摄影机、CD 唱机驱动、医疗诊断 CT、计算机硬盘驱动及数控车床驱动中等都广泛采用了无刷直流电动机伺服系统用于精密控制[3]。
1.4无刷直流电动机调速控制策略发展
调速控制策略方面，传统的 PID 控制已经相当成熟，随着各种控制理论的发展，出现了将现有的控制理论加以结合，互相取长补短，或将其他学科的理论、方法引入电机控制，使电机控制方法的发展进入了全新的阶段。近年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经元网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究[4]。
模糊控制理论的发展己有三十多年的历史，其最大的特点就是不依赖于对象模型，而利用所制定的模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，对具有非线性的电动机控制系统能够有效地处理[5]。
2 无刷直流电机的基本原理
2.1无刷直流电机系统的组成
无刷直流电机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)是一种典型的机电一体化产品，它是由电机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电机系统或自控式变频同步电机，如图2-1所示。位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电机定子各相绕组，使电机产生持续不断的转矩[6]。
图2-1 无刷直流电机系统组成
2.1.1电机本体
电机本体在结构上与永磁同步电机类似，也是由定子和转子两大部件组成，但没有鼠笼型绕组和其它启动装置。定子是由硅钢冲片与分布在它们槽内的绕组以及机壳、端盖、轴承等部件组成，定子绕组采用整距集中式绕组，一般制成多相(三相、四相、五相不等)，但应用最多的是三相。转子是由永磁材料制成，具有一定磁极对数(2p=2，4，)的永磁体，通常由转轴、永久磁钢、磁轭等部件构成。图2-2所示的电动机本体为三相两极，三相定子绕组(A相、B相、C相)分别与功率开关器件(V1、V2、V3)连接。
电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中的永久磁钢的作用类似，均是在电动机气隙中建立足够的磁场，不同点在于:无刷直流电机的永久磁钢安装在转子上，而有刷直流电机的永久磁钢安装在定子上。无刷直流电机转子的结构可分为两种:一种是将瓦片状的永磁体贴在转子表面上，称为凸极式;另一种是将永磁体嵌入到转子的铁心中，称为嵌入式。为了能产生梯形波反电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状成弧形瓦片形，气隙磁场成梯形分布。
当定子绕组某一相通电时，该电流与转子永磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转。同时，位置传感器将转子磁钢位置信号变换为电信号，来控制电子开关导通与关断，从而使定子各相绕组按照一定的顺序导通，定子相电流也随转子位置变化按照一定的规律换相。由于电子开关的导通顺序与转子转角同步，因而起到了机械换向器的换向作用。无刷直流电机就结构而言，相当于由永磁同步电机、转子位置传感器和电子开关组成的电动机系统。