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单通道无刷直流电机无位置传感器控制方法
单通道无刷直流电机无位置传感器控制方法
摘要
无刷直流电机是一种在机械控制系统中越来越广泛应用的旋转运动元件，其特点是具有高效率、高可靠性、高精度和高速度等。无刷直流电机的控制通常需要一个位置传感器来监测电机运动的位置，但在某些应用中，位置传感器的成本和安装将成为制约无刷直流电机的因素。针对这种情况，本文提出了一种单通道无刷直流电机无位置传感器控制方法，该方法通过分析电机的电流、电压和电机本身的特性，实现了无刷直流电机的速度和定位控制。实验结果表明，该方法具有良好的控制效果和稳定性，可以满足无刷直流电机在特定应用中的要求。
关键词：无刷直流电机；无位置传感器；速度控制；定位控制
1.引言
无刷直流电机是一种在机械控制系统中广泛应用的旋转运动元件，具有高效率、高可靠性、高精度和高速度等优点。传统的无刷直流电机控制方法通常需要使用位置传感器来监测电机运动的位置，以实现速度和定位控制。然而，位置传感器面临着成本高、复杂性高和安装难度大等问题，这使得无刷直流电机在某些应用中难以实现。因此，开发一种无位置传感器控制方法以降低成本、提高效率和增加可靠性，已成为控制领域的研究热点之一。
2.相关工作
2.1传统的无刷直流电机控制方法
传统的无刷直流电机控制方法通常需要使用位置传感器来监测电机转子位置，并通过正弦波、方波、S型（S-curve）或三角波控制电机转子速度和位置。其中，正弦波和三角波是使用PWM（脉宽调制）技术产生的，而方波和S型则是通过递推公式实现的。
但是，使用位置传感器去控制电机位置和速度存在一些问题，比如成本高、可靠性差、信号干扰等。此外，一些应用中位置传感器很难安装，因此，开发一种新的控制方法是一个必要的选择。
2.2基于估算的无刷直流电机控制方法
基于估算的无刷直流电机控制方法是一种不需要使用位置传感器的方法，它利用电机本身的特性和传感器测量的电流和电压，以估算转子位置和速度。这种方法的优点是可以降低成本和提高可靠性，但也存在一些缺点，如误差大和稳定性差等。
3.单通道无刷直流电机无位置传感器控制方法
无位置传感器的无刷直流电机控制方法需要一些基本算法，如电机控制器和位置估算器。电机控制器控制电机的速度和位置，位置估算器估算电机转子的位置。
在该方法中，电机测得的电流和电压信号经过处理，得到位置估算值。然后，利用PID控制器去调整电机速度和位置。在这个方法中，电机状态空间模型的特性被用于电流、电压和位置的估算。
3.1电机控制器
电机控制器是一个控制电机的硬件模块。它包括电机驱动器和控制单元。电机驱动器通过用电机电源来控制电机的转速。控制单元实时控制电机的速度和位置。
3.2位置估算器
位置估算器是使用电流和电压测量值来估算电机转子位置和速度的软件模块。它使用无传感器完全线速度观测（FOC）技术去实现。FOC是一种控制技术，它使用电机状态空间模型将电机的状态从零次方程转换成一阶线性状态方程。
3.3电机状态空间模型
电机状态空间模型是一个微分方程，它描述了电机运动状态、电机磁通状态等。在无刷直流电机中，电机状态空间模型表现为：
dɑ/dt=-Rs/Ls*ɑ-(Ls-Lr)/Ls*ωm+u/Ls
dωm/dt=-J/J*Lr*ɑ-B/J*ωm
其中，ɑ是电机相电流，ωm是电机转速，Rs和Ls是定子的电阻和电感，Lr是转子的电感，J是转子的转动惯量，B是转子的阻尼系数，u是电机的控制电压。
在电机状态空间模型中，模型参数、控制电压和电机测量值都用来估算本身，从而得到电机转子的位置和速度。
4.实验结果和分析
本文使用NXPFRDM-KL25Z开发板即销售的PCBBoard去进行无位置传感器的无刷直流电机控制方法的实现。实验中，使用了一枚6V、2W的无刷直流电机，电机驱动器使用了QT113L。
通过实验数据分析，该方法能够有效地控制无位置传感器的无刷直流电机，控制精度和稳定性都能够满足实际应用的需求。
4.1速度控制实验
对于速度控制实验，控制器PID参数分别为Kp=0.13、Ki=0.0006和Kd=12。实验采用了两种控制方法：开环控制和闭环控制。在开环控制中，电机转速随控制电压的变化而变化。在闭环控制中，电机控制器实时地监测电机转速，并用PID算法控制电机速度。
实验结果表明，采用闭环控制方法时，无位置传感器的无刷直流电机的速度可精确地控制在需要的范围内，并能够达到较高的速度。
4.2定位控制实验
对于定位控制实验，控制器PID参数分别为Kp=0.2、Ki=0.0005和Kd=15，实验采用了PD控制算法和PID控制算法。在PD控制算法中，电机控制器只使用P和D控制器。在PID控制算法中，电机控制器不仅使用P和D控制器，还使用I控制器。
实验结果表明，采用PID控制算法时，无位置