如何采用智能自适应方式直接驱动无刷直流电机？

2020年3月27日，由电子发烧友网主办的2020年第三届无刷直流电机控制技术研讨会在线上成功举行。会上，电机控制工程师黄天省介绍了无传感器、无反电动势检测的智能自适应算法控制方式，来直接驱动无刷直流电机。
 

电机控制工程师黄天省

 
无刷直流电机具有结构简单、运行可靠、功率密度高、调速性能和机械特性好等特点，得到越来越广泛的应用。它是一个非线性、多变量、强耦和的系统，因而采用传统的自适应控制方式很难满足实际需求。针对于这一问题，采用智能自适应控制方法直接驱动是较好的解决方案。
 
黄天省认为，传统的自适应控制存在四大基本问题：第一，需要复杂的离线训练。第二，辨识所需的充分激励信号和系统平稳运行的矛盾。第三，对系统结构假设。第四，实际应用中，模型的收敛性和系统稳定性无法保证。另外，传统自适应控制方法中假设系统结构的信息，在处理非线性、变结构或大时间延迟时很难适用。

无刷直流电机的智能控制种类有哪些？

无刷直流电机的智能控制主要包括以下三种类型：
 
无刷直流电机模型参考自适应控制（MRAC）
 
•         模型参考自适应控制（MRAC）是目前应用最成熟的一种自适应控制方式，MRAC的基本原理就是让被控对象的输出与参考模型产生期望的性能指标相一致，MRAC具有不需要控制对象的精准数据模型、也无需进行参数辨识、且容易实现和自适应速度快的优点。缺点是对负责的快速变化比较敏感，为此可以将其他控制方法与MRAC相结合以获得更好的控制性能。
 
无刷直流电机模糊控制
 
•         模糊控制具有不依赖于对象模型，用语言变量描述系统特点，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得控制量，因而具有动态响应好、超调小、硬件的实现比较简单、鲁棒性强的特点。
 
•         有模糊PID控制、模糊PID双控制、模糊PID自适应控制。
 
无刷直流电机的其他智能控制方法
 
•         智能控制方法还有鲁棒控制、自抗扰控制等。自抗扰控制（ADRC）是一种不依赖于系统模型的新型非线性控制器，具有超调低，收敛速度快、精度高、抗干扰能力强、算法简单等特点。

为什么智能自适应方式可以直接驱动无刷电机？

黄天省指出，对于无霍尔、无反电动势采样，驱动无刷电机可采用智能自适应的方式直接驱动。即：在编制程序时，给出控制逻辑、控制策略，自动执行。这其中需要进行启发式程序设计，自动推理和决策这些问题求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。
 
区别于传统的自适应控制是通过及时修正自已（MCU输出信号）的特性以适应对象和扰动的动态特性变化，使整个控制系统始终获得最优、最满意的性能。智能自适应是智能和自适应的结合体，以发挥各自优势。
 
他表示，无刷电机的本质是基于法拉第电磁感应定律的，而变化的电磁信号正对于无刷电机的不同状态：启动、停止、加速度、稳定速度等，都和电压、电流、相位角度等相关。智能自适应就是让MCU自行产生实测最佳控制逻辑，且自动推理和决策自行产生相适应的驱动信号，从而可以直接驱动无刷电机。由于这些信号都是通过最优化、最满意的实测取得，所以效率更高、能耗更低、成本更低、经济效益好。

智能自适应驱动的优势和挑战

采用智能自适应驱动的方式，具有以下四大优势：
 
•         无霍尔传感器光、电传感器、编码器等，节约成本，简化布线，提高可靠性。
•         无采集反电动势电路，无需比较器、A/D转换等编程。节约成本，简化布线，减少编程工作量，精简程序，执行效率更高效，减少软件BUG存在的可能。
•         直接驱动，排除了由于传感器损坏，反电动势尖峰脉冲导致换相异常的可能，进一步提高可靠性、稳定性、耐用性。
•         高效率、高性能、低成本，经济效益好。
 
黄天省补充，尽管智能自适应驱动有以上优势，但是现在仍存在一些挑战，例如：
 
•         前期编程调试工作量大，需要通过海量的测试，以找出最佳、最满意的自启发式程序设计，自动推理和决策。
 
•         由于不可预测的量太多，总有考虑不周的存在，需要经过多次长期的反复验证，才能确定其可靠性、稳定性。
 
•         过载性能较差，只适合轻负载场合，使其应用受到了一定的限制。
 
•         调速范围较小，如需要更宽的调速，则会需要翻倍的最佳化测试工作和更大的内置程序空间以放置大量的对应的控制算法程序。

展望

智能自适应驱动由于是长期寻找最佳、最满意的控制策略，经过长期的技术积累、优化和反复测试、验证，可靠性、程序效率也会进一步提高。未来，将会产生更多更好的控制方法，进一步提高智能自适应驱动的应用，在重载应用方面都会有全新的突破，将在未来的无刷电机驱动中广泛应用。

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