無刷直流電機的控制策略與無刷直流電機仿人智能系統設計

　　無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 無刷電機是指無電刷和換向器（或集電環）的電機，又稱無換向器電機。早在十九紀誕生電機的時候，產生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應用。但是，異步電動機有許多無法克服的缺陷，以致電機技術發展緩慢。上世紀中葉誕生了晶體管，因而采用晶體管換向電路代替電刷與換向器的直流無刷電機就應運而生了。這種新型無刷電機稱為電子換向式直流電機，它克服了第一代無刷電機的缺陷。

　　無刷直流電機的控制策略

　　一般的自同步無刷直流電動機逆變器和驅動的結構圖如圖1所示。圖中所示之驅動系統通常較多用于電壓源逆變器（VSI）。電壓源逆變器的對應是電流源逆變器（CSI）。VSI之所以較為廣泛運用是因為其成本、重量、動態性能，以及易于控制均優于CSI。兩種逆變器重量和成本的差異是由于VSI采用電容器進行直流耦合，而CSI須要在整流器和逆變器之間接有笨重的電抗器。VSI在動態響應能力上也與CSI不同。由于大的電抗器的作用就是滿足CSI作為恒流源的較大的換向重疊角的需要，防止電機繞組中電流的快速變化，抑制電機的高速伺服運行。這就會加大驅動系統中阻尼器的尺寸。對于CSI所期望得到的恒流控制和恒轉矩控制性能，在VSI中，也可通過其內部的電流控制環中滯后型電流控制而近似得到。

　　術語“自同步”指的是為了定子相電流脈沖與電機各相反電勢一致所需正確的各管導通順序，驅動電路對即時轉子位置信息的要求。

　　圖1基本的無刷直流電動機驅動

　　圖2是無刷直流電動機一經典的位置和轉速控制方案的方框圖。如果僅僅期望轉速控制，可以將位置控制器和位置反饋電路去掉。通常在高性能的位置控制器中位置和轉速傳感器都是需要的。如果僅有位置傳感器而沒有轉速傳感器，那就要求檢測位置信號的差異，在模擬系統中就要導致噪聲的放大；而在數字系統中這不是問題。對于位置和轉速控制的無刷直流電動機，位置傳感器或者是其他獲取轉子位置信息的元件是一定要的。

　　圖2經典轉速和位置控制無刷直流電動機系統方框圖

　　許多高性能的應用場合為了轉矩控制還需要電流反饋。至少，需要匯線電流反饋來防止電機和驅動系統過流。當添加一內電流閉環控制就能實現非?？斓碾娏髟茨孀兤髂菢拥男阅?，而不需要直流耦合電抗器，它被稱為電流調節電壓源逆變器。驅動中的直流電壓調節也可由作用類似直流電源的可控整流器來實現，或者既可通過在變換器中將PWM信號同時加在上下開關，也可通過僅僅加在上開關或下開關來實現。

　　無刷直流電機仿人智能系統設計

　　無刷直流電機（BLDC）是一種多變量和非線性系統，其利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此這種電機不僅保留了直流電機的優點，而且又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，使它一經出現就以極快的速度發展和普及。本文在分析了無刷直流電機數學模型的基礎上，建立了基于仿人智能控制的雙閉環控制系統，轉速環采用基于速度特征狀態多模態控制的仿人智能控制算法，電流環采用傳統PI控制算法。

　　在Matlab平臺上建立了基于仿人智能控制的無刷直流電機雙閉環系統的仿真模型，包括仿人智能速度控制器模塊、PI電流控制器模塊、換相邏輯模塊、電流采樣模塊和電機本體模塊。通過在線調整、仿真并與其他控制算法相比較，仿真實驗結果表明：仿人智能控制具有更好的動、靜態性能。

　　隨著對控制精度以及控制系統的穩態和動態性能要求的提高，對無刷直流電機采用傳統的PID控制器往往難以滿足系統的性能要求。國內外眾多學者在研究無刷直流電機的各種智能控制算法上取得了一定成果，然而目前無刷直流電機的各種智能控制算法還存在控制算法復雜、參數優化等方面的問題。

　　仿人智能控制是直接對人的控制經驗、技巧和各種直覺推理邏輯進行測辨、概括和總結，并將其編制成簡單、精度高、能實時運行的控制算法。仿人智能控制方法具有多模態多控制器的結構，將其應用于無刷直流電機的控制能夠較好地解決當前該領域控制器結構復雜、調節困難、響應遲鈍和不利于在線實現等問題。

　　本文所設計的無刷直流電機的反電動勢的為 120°梯形波，電流為方波，工作在兩相導通星形三相六狀態。設計的無刷直流電機控制系統為雙閉環控制系統，如圖1所示。

　　該系統可以達到無刷直流電機轉速輸出值穩、快、準的跟隨轉速給定值的控制效果?？刂葡到y設置轉速和電流兩個控制器，控制器實行串級連接。速度控制器采用具有基于速度特征狀態的多模態控制結構的仿人智能控制器，增強了系統抗負載擾動能力，保證了系統靜態和動態跟蹤的性能，同時也確保了控制系統的魯棒性。

　　速度控制器是雙閉環調速系統的主導控制器，它使轉速快速地跟隨給定電壓變化，穩態時可減小轉速誤差。速度控制器性能的優劣直接影響到整個控制系統的控制效果。本文所設計的雙閉環控制系統，速度控制器采用具有基于速度特征狀態的多模態控制結構的仿人智能控制器，增強了系統抗負載擾動能力，保證了系統靜態和動態跟蹤的性能，同時也確保了控制系統的魯棒性。

　　電流控制器作為內環控制器，在外環轉速控制器的調節過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨外環控制器的輸出量變化，同時保證獲得電機允許的最大電流，從而加快系統的動態過程。本文所設計的雙閉環系統主要目標是對轉速的調節，在速度控制器精確控制轉速的條件下，應盡量減小電流控制器的算法復雜度，以減輕實時控制系統中控制器實現的難度和保證控制的實時性。一般來講，調速系統的要求以動態穩定性和穩態精度為主，對快速性的要求可以差些，主要采用PI控制器；在隨動系統中快速性則是主要的性能要求，必須用PD或是PID控制器?；谝陨辖档退惴◤碗s度以及控制目標特性的兩點考慮，電流控制器采用了傳統的PI控制器。PI電流控制器可以使系統穩定，并有足夠的穩定裕度可滿足穩態性能指標，表現出電流無穩態誤差的特性。

　　控制系統設置轉速和電流兩個控制器，控制器實行串級連接?？刂七^程為：用設定的速度值和由轉子位置傳感器檢測的信號計算得到的電機實際速度值比較，經過速度控制器的調節，輸出電流給定值。檢測到的電流實際值與電流給定比較，經過電流控制器，輸出得到供給電機的電壓。采用這種轉速、電流雙閉環控制方式，能夠恰當的發揮電流截止負反饋和轉速負反饋的作用。從靜態特性上看，單獨的電流負反饋有使靜態特性變軟的趨勢，但是有轉速負反饋在外環，當速度控制器不飽和時（如穩態運行時），靜態特性上可能由電流負反饋產生的速度降落，完全被轉速控制器的作用消除。
　　又由于轉速控制器采用具有多模態控制結構的基于特征模型的仿人智能控制，整個系統將是一個無穩態誤差的調速系統。從動態響應過程來看，突加設定轉速或啟動過程中，轉速控制器很快就達到飽和，只剩下電流環起作用，系統在最大電流受限的條件下，在大轉速偏差下實現最短時間控制策略，使轉速漸漸穩定下來。速度、電流雙閉環控制系統，在突加給定的暫態過程中表現為一個恒電流調節系統，在穩態時又表現為無穩態誤差的調速系統，控制系統從而具有很好的動、靜態品質。

　　圖2為Matlab的Simulink環境下建模的整體控制框圖，主要包括：無刷直流電機本體模塊、仿人智能速度控制器模塊、PI 電流控制器模塊、換相邏輯模塊、電壓逆變器模塊、電流采樣模塊等。仿人智能速度控制器采用 Matlab的S函數實現，成功實現了本文所設計的仿人智能控制器的多控制器、多模態的結構。

　　為了驗證系統的性能，我們進行了以下兩個仿真實驗：

　　1. 調節轉速實驗

　　首先系統空載起動，設定轉速到1000rpm，等達到穩定狀態后，在0.2s 時調節轉速到2000rpm。仿真實驗所得到的轉矩波形和轉速響應的仿真曲線如圖3-4所示。

　　2. 變換負載實驗

　　系統空載起動，設定轉速到 1000rpm，待進入穩態狀態后，在 0.1s 時加入負載 TL=0.03Nm。實驗得到的轉矩波形和轉速響應曲線的仿真曲線如圖 5-6 所示。

　　在空載運行時，相電流達到最大值，達到最大啟動轉矩，在較短時間內進入穩態，反電動勢波形其平頂部分約為 120度較為理想，系統上升時間tr較短，超調量 小系統穩定性好，調節時間 ts也很短。穩態運行時轉速無穩態誤差，與理論分析相吻合。在 0.1s 時加入負載TL =0.03Nm，這時相電流增大以提高電磁轉矩，拖動外界負載，同時反電動勢幅值由于電流增大而略微增大。

　　結論與小結

　　1. 設計了無刷直流電機的仿人智能控制算法，并基于MATLAB平臺建立了無刷直流電機的仿真控制系統。

　　2. 通過對轉速調節仿真實驗，可以看到所設計的無刷直流電機仿人智能雙閉環控制系統具有良好的動、靜態特性。通過對變換負載仿真實驗中的相電流、相反電動勢、轉矩波形和轉速響應的曲線的研究，可知，所設計的無刷直流電機仿人智能雙閉環控制系統能夠充分抑制外部的擾動。

　　3. 仿真結果表明了本文所設計的無刷直流電機仿人智能控制系統響應速度快、抗干擾能力強，具有較強的實用價值。

?

推薦課程：

張飛軟硬開源，基于STM32?BLDC直流無刷電機驅動器視頻套件

http://t.elecfans.com/topic/42.html?elecfans_trackid=fsy_post