《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 測試測量 > 設(shè)計應(yīng)用 > 無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計
無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
苗敬利， 鄒 靖
河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 河北 邯鄲 056038
摘要： 針對無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)速度環(huán)節(jié)存在的非線性飽和特性，引用新型變結(jié)構(gòu)抗飽和Anti-windup PI控制器，根據(jù)控制器的輸出是否飽和，對積分狀態(tài)進行控制。當控制器進入飽和狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)可以有效地退出飽和；當控制器處于線性區(qū)，保證系統(tǒng)漸進穩(wěn)定。同時利用模糊理論對控制參數(shù)進行在線調(diào)整，使系統(tǒng)具有更好的實時性。仿真表明，該方法能夠有效地抑制飽和現(xiàn)象，減少超調(diào)量，使系統(tǒng)具有更好的動靜態(tài)性能。
中圖分類號： TM3
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)07-0088-04
Design for direct torque controlled brushless DC motor
Miao Jingli, Zou Jing
School of Information and Electrical Engineering, Hebei Handan, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China
Abstract： The Anti-windup PI saturated controller was applied to the direct torque control system of the brushless DC motor. According to the output of the controller is saturated, the controller selects the control structure. Based on the variable-structure controller, the whole system can suppress the windup phenomenon. At the same time, the control parameters were adjusted online by taking advantage of the fuzzy theory. The simulation results show that the control strategy has a nice effect on restraining the saturation and makes the whole system less overshoot, good robustness steady-state performance and so on.
Key words : brushless DC motor; direct torque control; saturated nonlinear part; Anti-windup PI controller; fuzzy control

     隨著電力電子技術(shù)和電機控制理論的發(fā)展，無刷直流電機以壽命長、免維護等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用[1]。目前一些現(xiàn)代控制理論已應(yīng)用到其控制領(lǐng)域中， 直接轉(zhuǎn)矩控制[2-3]就是其中一種。通過檢測定子電壓電流情況來觀測轉(zhuǎn)矩與磁鏈，得到誤差值，然后選擇合適的電壓矢量來控制逆變器的開關(guān)，進而控制電機的運行。過程不涉及內(nèi)部電流，直接控制電機轉(zhuǎn)矩，動態(tài)響應(yīng)快，對電機參數(shù)變化和外部擾動不敏感，具有良好的控制精度[4]。

    控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)一般采用PI控制，控制器的輸出就是電機參考轉(zhuǎn)矩值。但由于電機的額定功率和過流過壓保護等因素，控制器輸出須在一定范圍內(nèi)。故當系統(tǒng)參考輸入為一個較大階躍值或負載突變時，控制器輸出出現(xiàn)飽和限制，即被控對象的輸入與控制器輸出不等，系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)性能變差，滿足不了控制要求，稱為windup現(xiàn)象[5]。參考文獻[6]將Anti-windup PI 控制器用在感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，參考文獻[7]用在永磁同步電機控制系統(tǒng)中，都取得了良好的控制效果。本文將其用到無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，速度控制器采用Anti-windup PI控制[8]，結(jié)合了條件積分法和反計算法。前者當控制器飽和時，積分器停止工作，此時控制器相當于P控制；當控制器輸出處于線性區(qū)時，再加入積分器的作用。后者則是將被控對象的輸入與控制器的輸出取差值，反饋到積分器的輸入端，對積分狀態(tài)進行控制，從而抑制windup現(xiàn)象。為了實時調(diào)整PI參數(shù)，引入模糊控制器[9-10]，比參數(shù)固定時有更好的響應(yīng)特性，提高了系統(tǒng)的魯棒性及抗干擾能力。仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效地提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的綜合控制性能。

1 無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型

    以三相星型二二導(dǎo)通無刷直流電機為例，假設(shè)磁路不飽和，三相繞組對稱，忽略齒槽效應(yīng)、渦流和磁滯損耗，分析其數(shù)學(xué)模型。電機定子繞組電壓平衡方程表示為：

    

 

 

2 無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的windup現(xiàn)象

    直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩環(huán)采用滯環(huán)比較器，動態(tài)響應(yīng)速度遠高于轉(zhuǎn)速環(huán)，故忽略內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩動態(tài)變化。根據(jù)式(3)可得：

 

 

2.2 新型Anti-windup PI 控制器設(shè)計

    為了克服windup現(xiàn)象的產(chǎn)生，設(shè)計了Anti-windup PI 控制器，如圖1所示。邏輯開關(guān)S在1、2之間切換，分別對應(yīng)線性區(qū)與飽和區(qū)，對積分器進行控制。當控制器在線性區(qū)時，S與1相連，積分器累加轉(zhuǎn)速誤差；當控制器處于飽和區(qū)時，S與2相連，把控制器輸出與被控對象輸入之差反饋到積分器的輸入端，消除積分飽和狀態(tài)。

    控制器積分狀態(tài)滿足：

    

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

    由于系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)特性，須分別證明系統(tǒng)不同區(qū)域的穩(wěn)定性。在飽和區(qū)，電機參考輸入轉(zhuǎn)矩達到限幅值，積分狀態(tài)衰減到零，系統(tǒng)自動進入線性區(qū)，則穩(wěn)定。而線性區(qū)，系統(tǒng)漸進收斂穩(wěn)定，則證明控制器符合控制要求，全局穩(wěn)定。

2.3.1 飽和區(qū)的穩(wěn)定條件

    若控制器處于飽和區(qū)，即un≠us，由式(4)可得電機轉(zhuǎn)速誤差方程：

 

 

    當電機運行狀態(tài)滿足式(15)時，控制器將自動從飽和區(qū)退回到線性區(qū)。

2.3.2 線性區(qū)的穩(wěn)定條件

    若控制器處于線性區(qū)，即un=us，控制器等效為傳統(tǒng)PI控制器。誤差方程為：

 

 

    當電機運行狀態(tài)滿足式(19)條件時，控制器處于線性區(qū)，轉(zhuǎn)速誤差收斂為零。

2.4 模糊邏輯對控制器的改進

    利用模糊控制理論對Anti-windup PI控制器中的參數(shù)Kp、Ki進行在線修改，將轉(zhuǎn)速誤差e及其變化率ec作為模糊控制器的輸入，參數(shù)Kp和Ki作為輸出，來滿足運行中實時變化的e和ec對系統(tǒng)參數(shù)的要求。

    模糊控制器輸入變量e及ec與輸出變量Kp及Ki的模糊子集設(shè)定為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，并量化在區(qū)(-3,3)域內(nèi)。根據(jù)大量模擬仿真實驗和前人的電機控制經(jīng)驗，總結(jié)出了模糊控制規(guī)則集，見表1和表2，最終實現(xiàn)對PI參數(shù)的調(diào)整。

2.5 系統(tǒng)整體設(shè)計

    無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。運行后，得到實時的e及ec，利用模糊規(guī)則對控制器參數(shù)Kp和Ki實時修改，調(diào)整Anti-windup PI控制器的輸出,并與實際值比較，得到的控制量與轉(zhuǎn)子位置信號相結(jié)合，來選擇合適電壓矢量，控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，達到控制電機穩(wěn)定運行的最終目的。

3 仿真及實驗結(jié)果

    利用Matlab/Simulink建立仿真模型，驗證模糊Anti-windup PI 控制器的可行性。仿真框圖如圖3所示。無刷直流電機參數(shù)為:定子繞組電阻R=1 Ω相電感L-M=0.0139 H，阻尼系數(shù)B=0.000 2 N·m·s/rad，轉(zhuǎn)動慣量J=0.05 kg·m2，極對數(shù)np=1，額定轉(zhuǎn)速n=1 200 r/min。模糊Anti-windup PI控制器參數(shù)如下：Kp=10，Ki=0.1，k=1。電機空載啟動，進入穩(wěn)態(tài)后t=0.2 s外加負載信號TL=1 N·m，仿真曲線如圖4~圖5所示。

    如圖可知，實際波形與理論波形基本保持一致，證明該算法正確可行，系統(tǒng)能在直接轉(zhuǎn)矩控制模型下穩(wěn)定運行。下面與傳統(tǒng)PID控制算法作比較， PID控制器的參數(shù)為：Kp=5，Kd=0.001,Ki=0.01。響應(yīng)曲線對比如圖6~圖7所示。

    對比可知，通過模糊Anti-windup PI控制器的調(diào)節(jié)，有效地抑制了Windup現(xiàn)象，系統(tǒng)更快地進入穩(wěn)定狀態(tài)，減小了超調(diào)量，具有更好的控制精度。

    針對無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器出現(xiàn)的Windup現(xiàn)象，分析了產(chǎn)生原因，設(shè)計了將條件積分法與反計算法相結(jié)合的變結(jié)構(gòu)Anti-windup PI控制器，并利用模糊控制規(guī)則對控制器參數(shù)Kp和Ki進行實時調(diào)整，補償由于e與ec的變化對參數(shù)更高的要求。仿真結(jié)果表明，改進后的控制器能有效抑制Windup現(xiàn)象的產(chǎn)生，減小超調(diào)量，對干擾不敏感，系統(tǒng)響應(yīng)快，滿足要求的控制精度，具有實際應(yīng)用價值。

參考文獻

[1] 夏長亮. 無刷直流電機控制系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009：1-15.

[2] 夏長亮, 張茂華, 王迎發(fā),等.永磁無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2008,28(6):104-109.

[3] 丁祥. 永磁無刷直流電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計研究[D].長沙：湖南大學(xué), 2009.

[4] 李光偉. 無刷直流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制研究[D]. 太原：太原科技大學(xué),2009.

[5] 楊明,徐殿國,貴獻國.控制系統(tǒng)Anti-windup設(shè)計綜述[J].電機與控制學(xué)報, 2006,10(6):622-626.

[6] 張興華, 聶晶, 王德明. 感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)Anti-windup PI控制器[J].電機與控制學(xué)報,2013,17(1):77-81.

[7] 于艷君, 柴鳳, 高宏偉,等.基于Anti-windup PI控制器的永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報,2009,24(4):66-70.

[8] 杜明星, 胡靜, 趙剛. 無刷直流電機Anti-windup PI控制系統(tǒng)的研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報,2008,24(6):86-88.

[9] 王興貴, 孫宗宇, 王言徐.基于模糊PI控制的永磁同步直線電機矢量控制系統(tǒng)研究[J]. 微電機, 2010,43(5):59-61,69.

[10] 俞鈺, 莊健, 于德弘. 模糊抗飽和補償器的設(shè)計及應(yīng)用[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2013,47(1):68-73.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。