（机械电子工程专业论文）无刷直流电机智能控制系统的研究.pdf

摘要 无刷直流电机利用电子换相代替机械换相，克服了传统直流电机由于电刷摩 擦而产生的一系列问题，并且具有调速性能好、体积小、效率高等优点，因而广 泛应用于国民经济产生的各个领域以及人们的日常生活中。 在无刷直流电机的控制策略方面，基于智能控制思想的模糊控制的最大特点 是不依赖于对象模型，而是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。由于单一的模糊控制方法不含积分环节，稳态误差和难消除，所以本控制 系统将传统p i d 控制方式与模糊控制相结合，并在m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真 平台上搭建了双闭环调速系统的仿真模型对算法进行了仿真。仿真结果表明模糊 p i d 算法的控制效果和鲁棒性都优于常规p i d ，且能满足系统对实时性的要求。 在理论分析和仿真研究基础上，设计了以1 1 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为 核心的系统硬件框架，实验结果表明所设计的控制方案满足高性能调速系统的要 求。 关键宇：无刷直流电机模糊p i ds n 肿【d s p a b s t r a c t 1 1 圮b r u s h l e s sd cm o t o r sw h i c ha d o p te l e e l x o n i ep h a s ec h a n g ei n s t e a do f m e c h a n i c a l o n e ，o v e r c o m eav a r i e t yo fd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a ld cm o t o r s , w h i c ha l e c a u s e db yt h eb r u s hf r i c t i o n f u r t h e r m o r e w i mm a n ya d v a n t a g e ss u c h g o o ds p e e d r e g u l a t i o n 1 i t t e rv o h t m ea n dh i g he f f i c i e n c y , b m s h l e s sd cm o t o r sf i n dt h e i rw i d e a p p l i c a t i o ni ne v e r yl i n eo f w o r ki nn a t i o n a li n d u s t r ya n dd a l l yl i f e i nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h eb r u s h l e s sd cm o t o r s , t h em o s tc h a r a c t e r i s t i c so f f u z z y c o n t r o lb a s e do ni n t e l l i g e n tc o n t r o ld on o tr e l a yu p o nt h eo b j e c tm o d e l ，b u tu t i l i z et h e r u l es e tb yf i l z z yc o n t r o lt om a k er e a s o n i n gi no r d e rt og e tp r o p e rc o n t r o l l e dv a l u e 。 b e c a u s et h ei n t e g r a t i n ge l e m e n ti sn o ti n v o l v e di nt h es i n g l ef u z z yc o n t r o lm e t h o d ，t h e s t e a d y - s t a t e e l t o ri sd i m c u l tt oe l i m i n a t e t h e r e f o r e ，t h i ss y s t e mc o m b i n e st h e t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lp a t t e r na n dt h ef u z z yc o n t r 0 1 am o d u l a r i z e ds i m u l a t i o nm o d e l o ft h r e e - p h a s eb l d ca n dt h ew h o l ed o u b l el o o p sd cs p e e d - a d j u s t i n gs y s t e ma r e e s t a b l i s h e db yt h es i m u l i n ko fm a r l a b 1 1 l es i m u l a t i r e s u l t ss h o wt h a tt h e f u z z y - p i da l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lo u e b a s e do nt h et it m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p , af i a m e w o r ko ft h es y s t e mh a r d w a r ei s d e s i g n e d t h er u n n i n go ft h ep r o g r a mp r o v e st h a tt h ed e s i g n e dc o n t r o ls t r a t e g yc a n a d a p tt ot h eh i g hp e r f o r m a n c es p e e d - a d j u s t i n gs y s t e m k e y w o r d ：b l d cf u z z yp i ds i m u l i n kd s p 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在j 年解密后适用本授权书。 本人签名： 3 登：3 日期： 竺! f ：竺 导师躲一坌戡吼巡_ 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无刷直流电机发展概况 电机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域以及人 们的日常生活中。无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方 便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗，以及调速性能好 等优点。近几年，随着稀土永磁无刷直流电机使用成本逐步降低，已经越来越广 泛的应用于中小功率高性能调速电机和军用民用伺服控制系统中。 一直以来，直流电动机以其优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动 转矩、简单的控制电路等优点，在需要调速的应用领域内占有重要地位。但是传 统的直流电机采用机械电刷，以机械方式换相，因而结构复杂，同时由于存在相 对的摩擦，由此带来的噪音、火花、无线电干扰以及寿命短等一系列问题。再加 上制造成本高、维修困难等缺点，从而限制了它的应用范围“1 。为了取代有刷直流 鬯动机这种电昂4 一换相器结构的机械接触装置，人们对此一直在进行探索。 随着社会生产力的发展、科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃， 开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电机奠定了基础。早在1 9 1 5 年， 美国人兰格米尔( 1 a n g m i l l ) 就发明了带控制栅极的水银整流器，制成了直流变 交流的逆变装置。而在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流器代替有刷直流电机的 机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。 2 0 世纪3 0 年代开始有人研制以电子管换相来代替电刷机械换相的无刷直流电 机，但限于当时的技术条件，找不到理想的电子换相器件使徨这种电动机只能停 留在实验室阶段，无法推广使用。 直到1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换相线路代替无刷 直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生嘲。但由于该电机尚无启动 转矩而不能产品化。此后，经过人们多年的努力，借助霍尔元器件来实现换相的 无刷直流电机终于在1 9 6 2 年问世，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元。2 0 世纪六十年代至七十年代，有关无刷直流电机的文献开始出现。1 9 7 8 年原西德 m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出其m a c 永磁无刷 直流电机及其驱动系统，标志着永磁无刷直流电机真正进入了实用阶段。尤其是 1 9 8 6 年h r b o l t o n 对方波无刷直流电机进行了全面的系统的总结，成为方波无刷 直流电机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电机在理论上达到了成熟。 在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电机以定子绕组作为电枢，励 磁绕组由永磁材料所取代。永磁材料的使用，大大减少了无刷电机的重量、简化 2 无刷直流电机智能控制系统的研究 了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。无刷电机的出现和发展与永磁材料 的发展是分不开的。永磁材料在几十年的发展过程中基本上经历了以下几个阶段： 铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材 料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促 使无刷电机向高效率、小型化、节约的方向发展。按照流入电枢绕组的电流波形 的不同，无刷直流电机可分为方波直流电机( b l d c m ) 和正弦波直流电机( p m s m ) ， b l d c m 用电子换相取代了原直流电机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷： 而p m s m 则是用永磁材料取代同步电机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环 和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而b l d c m 的应用较p m s m 要广泛的多。因此，本文方波直流电机( b l d c m ) 为研究对象捌m 。 随着电力电子技术的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件啪1 如电力 晶体管( g t r ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、绝 缘栅极双极性晶体管( i g b t ) 等相继出现，使得无刷电机的驱动电路逐渐由小型化、 模块化的集成电路取代线路复杂体积庞大功能指标低的分立电路。 无刷直流电机控制系统随着技术的不断发展，控制单元功能日益完善，器件 数目越来越少，体积越来越小，可靠性越来越高而成本日益降低。无刷直流电机 发展也促使电机理论与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、现代控制理论 以及高性能永磁材料的紧密结合。如今，直流无刷电机集特种电机、交流结构、 检测元件、控制软件和硬件于一体，形成新一代电动伺服系统，体现着当今应用 科学的最新成果，是机电一体化的高技术产物。 目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件专用集成电路稀土永磁材料 计算机新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，体现着当代应用科学的许多成 果，因而显示出广泛的应用前景和强大的生命力。 目前无刷直流电机应用主要在以下几个方面： ( 1 ) 电动汽车 我国科技部于2 0 0 1 年1 0 月公布的8 6 3 计划中基本包括各项涉及电动汽车的 专题研究。目前电动汽车产业飞速发展，具有良好的发展前景。从控制特征体积 效率等各方面来衡量，无刷直流电机( b l d c m ) 被认为是电动汽车最具有竞争力的驱 动电动机之一。从2 0 0 3 年开始，b l d c m 成为轻型电动车的主流电动机，从设计结 构、材料性毖到成本特性等方面不断得到优化，稳居世界领先水平。现有的b l d c m 升级为电动微型汽车驱动系统己无技术障碍，b l d c m 势必会在电动汽车上得到广泛 的应用”朋。 ( 2 ) 交流伺服系统 高精度的数控设备中越来越多地采用b l d c m ，以取代直流伺服电动机，特别是 在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电机的应用广泛。目前，包括中国、巴西 第一章绪论 和墨西哥在内的一些发展中国家也在工业生产中使用机器人，且需求增长十分惊 人，这已经成为无刷直流电机的主要应用领域。 ( 3 ) 家用电器 随着人们生活水平的提高，高效、节能、低噪音、环保功能的绿色家电越来 越受到人们的欢迎。在空调行业，b l d c m 的应用已经成为衡量空调技术水准的重要 指标之一。空调变频技术已从异步电动机变频控制发展到无刷直流电机的变速控 制，即所谓的直流变频空调。它与采用交流异步电动机变频空调相比，具有起动 功率大、效率高、节能、抗电压能力强等优点。另外，采用b l d c m 的洗衣机也已 经出现。 ( 4 ) 数码产品 在小电动机行业，b l d c m 是发展最快的品种。目前，个人视听产品日益朝着“小、 轻、薄”化发展，对无刷直流电机需求量也迅速增加。日本不少公司己将无刷直 流电机应用到数码相机、微型收录机、摄影机、打印机以及硬盘驱动器等。世界 各国也都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。 1 2 无刷直流电机的研究现状 无刷直流电机具有独特的优势，因而得到广泛的应用，促使人们对其不断的 研究探索。当前的无刷直流电机已经不单纯是简单意义上的电动机，而是电机理 论、电力电子、微电子技术、现代控制理论以及高性能永磁材料相互结合，集软 硬件于一体的机电一体化产品。 当前无刷直流电机及其调速系统的研究方向主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 调速系统的改进 因为电机调速主要靠改变转子转矩来实现，所以直流电动机的调速方法忉有三种： a 调节电枢供电电压u 。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压， 从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平 滑调速的系统来说，这种方法最好。电枢电流变化遇到的时间常数较小，能快速 响应，但是需要大容量可调直流电源。 b 改变电动机主磁通p 。改变磁通可以以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通， 从电动机额定转速向上调速、属恒功率调速方法。电枢电流变化时遇到的时间常 数要大很多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 c 改变电枢回路的电阻r 。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备 简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几 乎没什么调速作用：在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等 4 无刷直流电机智能控制系统的研究 调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大， 往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制 的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法相 结合起来使用。 ( 2 ) 转矩脉动的研究 目前，直流无刷电机存在的最主要问题就是转矩脉动喁1 。由于转矩脉动的存在， 使得直流无刷电机在交流伺服系统中的应用受到了限制。尤其是在直接驱动的场 合，转矩脉动会通过转子传递到负载上，引起预料不到的速度脉动，从而通过电 机底座产生震动、谐振、噪声等问题，因此限制了它在高精度的速度、位置控制 系统中的应用。 无刷直流电机的结构特点决定了其运行过程中会不可避免地产生转矩脉动。 转矩脉动主要包括以下三个部分： a 纹波转矩脉动 理想条件下，无刷直流电机相电流是方波，反电动势波形是梯形波，平顶宽 度为1 2 0 度电角度，电磁转矩为恒值。实际中，由于设计和制造等方面的原因， 反电动势波形并不是梯形波，或者波形宽度也不是1 2 0 度电角度，或者是由于转 子位置检测和控制系统精度不够，造成反电动势与相电流相位不能严格同步；或 者电流波形不是方波只能近似地按梯形波变化等，这些因素的存在都会导致电磁 脉动1 3 2 】的产生。 b 齿槽转矩脉动 齿槽转矩是由于定子铁心与转子励磁磁场相互作用产生的。定子齿槽的存在 使得永磁体与对应的电枢表面的气隙磁场不均匀。当转子旋转到使得在一个磁状 态内磁路磁阻变化从而引起转矩脉动。 c 电枢反应 电枢反应使得气隙磁场发生畸变，改交了转子永磁体在空载对的方波气隙磁 感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被削弱。畸变 的磁场与定子通电相绕组相互作用，使电磁转矩随定、转子相对位置的变化而脉 动。另外，在任一磁状态内电枢磁场与连续旋转的转子主极磁场相互作用，产生 的电磁转矩会随着转子位置不同而变化，从而产生转矩脉动。 ( 3 ) 无位置传感器 传统的无刷直流电机需要用传感器来检测电机转子位置，控制换相时刻。同 时在速度控制系统中，速度传感器也必不可少。但是，随着电动机额定功率的减 少，传感器的体积在整个系统中的比重越来越大，这就使得系统难以实现小型化， 限制了无刷直流电机的应用。 从7 0 年代末开始，无位置传感器技术【9 - 1 2 】就开始成为无刷直流电机控制领域 第一章绪论 研究的热点，并相继提出了许多方法。其主要有： 乱反电动势法 这是目前最常见和应用最广泛的方法。由于电机绕组的反电动势随着转子位 置的改变而改变，利用在定子绕组中感应出的反电动势，可以得到转子的位置。 这种方法一般需要对电机的三相端电压进行检测，并据此计算出反电动势，从而 得到转子的位置。该方法在1 2 0 度运行的方波直流电机中最为常见，因而在这种 类型的无刷直流电机中，任何瞬间三个绕组中，只有两个导通，未导通相绕组的 端电压即为反电动势信号。反电动势法可分为：端电压法、积分法以及续流二极 管法。 ， b 三次谐波检测法 对于反电动势为梯形的方波电机，它的反电动势除了基波外，还有丰富的高 次谐波分量，通过对电枢三相相电压的简单叠加，反电动势的基波分量和其他高 次谐波分量由于相位差1 2 0 度而相互抵消，只有三次谐波及其奇数倍次的谐波由 于同相叠加而加强。因此可以从中提取反电动势的三次谐波分量，以检测转予的 位置。该方法只适用于y 型连接的方波电机。 c 相电感检测方法 凸极永磁电机的定子绕组电感随着转子位置的变化有较大的改变，定子电感 是转子位置和相电流的函数。在未导通相中注入高频载波信号，定子绕组中的电 流变化与相电感的瞬时值成反比，这样就可以检测出转子的位置。该方法可以用 于载波模式，其显著优点是在反电动势很小甚至为零的低速和静止情况下，都具 有很好的可靠性。但是，电流的变化率和转子位置之间的关系比较复杂，特别是 在高速时，反电动势对定子电流有较大的影响，产生的误差不能忽略。 d 卡尔曼滤波法 对于具有随机干扰的非线性系统，卡尔曼滤波器是最优的递推估算器，把小b 坐标下的定子电流分量屯，转子角速度缈和位置角p 作为状态变量，建立系统 的扩展状态方程，这样电流的导数与电流、电压成线性关系。 e 状态观测器法 这种方法是将电机三相电压、电流作坐标交换，在派克方程的基础上估算出 电机转子的位置。 以上介绍的方法都有一定的局限性，都要采取补偿措施。然而，随着现代非 线性控制理论的日益成熟以及d s p 和电力电子器件的迅速发展，软件和硬件的水 平大大提高，理论上的方法将能够更有效地付诸实践，使得对电机系统的控制可 以取得优异的性能，转子位置的检测精度将不断得到提高。 ( 4 ) 控制算法的研究 快速性、稳定性和鲁棒性是衡量b l d c m 调速系统性能的重要指标，由于 6 娜0 直流电机智能控制系统的研究 b l d c m 是一个时变系统，在高性能应用场合采用传统的p i d 控制很难满足系统的 控制性能要求。d s p 具有高速的数据运算和处理能力，以d s p 芯片为核心，通过 软件编程实现对电动机的控制，为b l d c m 控制系统的设计和实现带来了很大的 灵活性。现代控制理论的许多先进的智能控制算法，可以通过利用d s p 的高速处 理能力来实现。因此，研究先进的控制算法i 1 4 l 成为无刷直流电机控制系统的一个 重要方向。 a 启适应控制 自适应控制力图克服系统参数变化带来的不利影响，通过系统运行中不断地 辨识、校正系统模型，使得系统模型逐步完善。目前应用于电机控制中的主要有 模型参数自适应、参数辨识自校正控制等。但是，自适应控制对系统模型进行辨 识、校正总需要过程，对于一些参数变化较快的系统，控制效果不是很理想。 b 变结构控制 变结构控制与常规控制的区别在于控制的不连续性，即系统“结构”具有变 化的特性。其主要的特点是根据被控量的偏差及其导数使控制系统按照设计好的 方案运行。 无刷直流电机结构与永磁同步电机相似，同步电机具有稳速精度高，开环控 制简单方便等特点，而无刷直流电机具有起动和调速方便的特点。所以，当无刷 直流电机处于起动和调速过程中，采用当无刷直流电机的运行模式，实现动态响 应的快速性，当电动机转速到达给定值附近时，切换为同步电机运行模式，以保 证稳态精度。这种控制方式具有响应速度快、对控制对象参数变化及外部扰动不 敏感、物理实现简单等特点。但是控制策略本质上的不连续性使系统存在“抖动”， 控制的关键是如何实现无刷直流电机在两种控制方式的无缝切换。 c 神经网络控制 神经网络【1 3 】具有非线性映射的能力，可以逼近任何线性和非线性模型，又具 有自学习、自收敛性。神经网络控制可以用于线性对象，也可以用于非线性对象， 被控对象无需精确建模，同时对参数变化有较强的鲁棒性。神经网络已经用于当 无刷直流电机参数的在线辨识、跟踪；磁通及转速控制器自适应调整；精确估计 转子磁通幅值、位置及其转速：还可以结合模型参考自适应控制，将神经网络控 制器用于自适应速度控制器。 目前，研究将多种智能控制方法相结合用于无刷直流电机控制系统，已经取 得了一些成果，但是仍有许多问题需要解决。如智能控制主要凭借经验设计，对 系统的稳定性、鲁棒性缺少客观的理论预见性；另外，智能控制器设计中需要大 量经验数据，使得设计较繁工作量较大。 d 模糊控制 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学z a d e n 教授提出模糊集理论，目前模糊控制已 第一章绪论 经成为研究的热点，得到了快速发展。由于模糊控制不依赖于被控对象精确的数 学模型，它利用制定好的模糊控制规则使控制器能够模拟操作人员和专家的控制 经验与方法进行推理，从而获得合适的控制量。模糊控制能够有效地处理多变量、 非线性、强耦合的电机控制系统。但是，简单地将模糊控制器应用于高精度电机 控制系统，难以消除系统的稳态误差，控制效果还不能令人满意。模糊控制只有 与其他控制算法结合使用，才能获得良好的控制效果。本文就是将模糊控制和传 统的p i d 控制方法相结合，来对无刷直流电机进行控制。目前，已经有利用模糊 方法来优化p m s m 伺服设计，应用于交流数字伺服系统以及无刷直流电机的直接 转矩控制。 1 3 本课题研究意义及主要内容 1 本课题的研究意义 无刷直流电机因为用半导体电子开关换相器替代了机械式换相器及其电刷， 可靠性高，无需维护，寿命长，噪音低，功率密度大。特别是它的转动惯量小， 转子损耗相对于异步电动机小得多。当输出功率相同时，无刷直流电机所需要的 整流器和逆变器容量小，因此自身体积也小，更适合于空间有限的场合。也正是 因为无刷直流电机有如此多的优点，所以使它成为了新一代电动伺服系统的主角。 由于无刷直流电机在工业上的应用越来越广泛，它的进一步推广将显著的提 高我国的能源利用水平，改变我国高污染，低效率的能源利用状态。我国是一个 稀土资源极为丰富的国家，充分利用我国的稀土资源优势，弥补我国在能源利用 水平上的差距，将是一件很有意义的工作。 2 本课题的主要内容 本文基于状态方程建立无刷直流电机的数学模型，应用m a t l a b 里的 s i m u l i n k 1 9 1 进行了整个系统的仿真研究，最后基于d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 初步建 立了无刷直流电机数字控制硬件系统。其主要的内容有以下几个方面： ( 1 ) 提出可行的总体解决方案。首先要在研究三相无刷直流电机运行原理的 基础上，尝试建立数学模型，然后根据无刷直流电机控制系统的发展现状和所用 到的设备，设计整个调速系统的控制方案。 ( 2 ) 为调速系统设计高性能的控制器。p i d 控制实现简单、可靠性高，是工 业过程控制中生命力最强的控制方式，但无刷直流电机调速系统是一个多变量、 强耦合的非线性系统，电机本身的参数和拖动负载的参数在运行过程中会发生变 化，使得固定参数的p i d 调节器不能使系统在各种工况下保持设计时的性能指标， 系统的鲁棒性不强。模糊控制是建立在人类思维模糊性的基础上的。它是一种新 的控制方法，其数学基础、理论基础、实现方法都和传统的控制方法有很大的区 8 无刷直流电机智能控制系统的研究 别。它不像经典控制那样需要用精确数字所描述的传递函数，也不像现代控制理 论那样需要用矩阵表示的状态方程。模糊控制的核心是在于它具有模糊性的语言 条件语句，作为控制规则去执行控制。控制规则往往是由对被控过程十分熟悉的 专门人员给出的，所以模糊控制规则本质上说是一种专家控制。这种控制的规则 充分反映了人的智能活动。因此，把模糊控制和p i d 相结合，通过对系统性能的 学习实现参数在线整定，克服了常规p i d 控制器不易在线实时整定参数、难以对 非线性时变系统有效控制的局限，是我们要研究的一个问题。 ( 3 ) 建立有效的系统仿真模型。为了对控制方案的可行性和所设计算法的控 制性能进行评估，需要建立一个有效的系统仿真模型。在这个模型中，要能够方 便的替换控制算法，对不同的算法进行比较；还要能够方便的对系统进行系统结 构进行调整。鉴于m a t l a b 中s 枷j l i n k 的强大仿真能力，我们选择用s i m u l i n k 作 为仿真的平台。所以，如何在s i m i j l i n k 中建立一个有效、准确的系统仿真模型， 是本课题要研究的一个内容。 ( 4 ) 设计系统的硬件和软件。d s p 包含丰富的片内资源，众多的功能模块， 因此，在实现所设计的调速系统的过程中，如何合理的使用d s p 资源，简化整个 系统的硬件结构、提高其可靠性，是本课题要研究的另一个内容。完成硬件设计 之后，就要根据d s p 芯片的编程特点，设计整个系统的软件流程，通过高级语言 编写的应用程序来实现系统的控制方案和控制算法，用实验来检验整个系统的可 行性和调速性能。 综上所述，本课题将设计实用的无刷直流电机调速系统，研究模糊控制与传 统p i d 控制相结合的智能控制器】，并建立有效的仿真模型，在这基础上针对d s p 设计相应的硬件和软件，以期对智能控制方法的实际应用和基于d s p 的高性能无 刷直流电机控制系统的设计开发起到积极的作用。 第二章无刷直流电机的基本结构和原理9 第二章无刷直流电机的基本结构和原理 2 1 无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机( b l d c m ) 与直流电机相比，用电子换相电路代替了机械换相 装置，在内部结构上有了显著的变化，所以两者的运行特性和控制方式也有很大 差别。对于本论文中的所使用的被控对象为三相星型无刷直流电机机，需要其三 相绕组交替通电，以特定的组合方式换相，才能产生方向不变的转矩，使电机持 续运转。为了建立数学模型的需要，需要对无刷直流电机的结构和运行原理加以 介绍。 无刷直流电机又名自控式同步电动机，实际上可以看作是一台用电子换相装 置取代机械换相的直流电动机，它由永磁同步电动机、逆变器和位置检测器等主 要部分构成。无论从结构或控制方式上来看，无刷直流电机与传统的直流电机都 有很多相似之处。用装有永磁体的转子取代有刷直流电机的定子磁极，用具有多 相绕组的定子取代电枢，由固态逆变器和轴位置检测器组成电子换相器和电刷， 这样就得到了无刷直流电机。无刷直流电机【1 5 】一般由无刷直流电机本体、转子位 置检测器和驱动控制电路组成，见图2 1 图2 1 无刷直流电机的构成 电机本体通常由永磁同步电机构成。永磁同步电机的转子采用永磁铁励磁， 目前多使用稀土的永磁材料。由于转子磁场的几何形状不同，使得转子磁场在空 间的分布有正弦波和梯形波两种。这两种同步电动机在原理、模型及控制方法上 有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机调速系统，就如第一章介绍的 把它们分为正弦型永磁同步电动机( p m s m ) 和梯形波( 方波) 永磁同步电动机 ( b l d c m ) 。 转子位置检测器也就是位置传感器，接动作原理可分为敏感式、耦合式、谐 振式和接近式等。敏感式利用敏感元件如光敏元件( 光电二极管或三极管) 和磁 敏元件( 如霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等) 来感应出转子位置，并给出信 号，信号经过处理放大，便可以驱动逆变器工作，以控制定子各相绕组的导通。 1 0釉0 直流电机智能控制系统的研究 驱动控制电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按一 定的逻辑代码输出，去触发功率开关。根据电磁感应定律，通电后的定子绕组在 转子相电流的持续时间为1 2 0 度电角度，梯形波反电动势的平顶部分也是1 2 0 度 电角度，两者应严格上同步。 2 2 无刷直流电机的运行原理 众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永磁钢组成，其主要的作用是 在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换相作 用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而 产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。我们知道，有刷直流电机电枢绕组中的 感应电势和实际通过的电流其实是交变的。从电枢绕组和定子磁场之间的相互作 用来看，它实际上是一台同步电机。这个同步电机和直流电源之间是通过换向器 和电刷把它们联系起来的。在有刷直流电机中，电刷不仅起着引导电流的作用， 而且由于电枢导体在经过电刷所在的位置时，其中的电流要改变方向，所以电刷 的位置决定着电机中电流换向的地点。这就是说，有刷直流电机的电刷起着电枢 电流换向位置的检测作用。而无刷直流电机则采用电子逆变器代替机械换向器的 作用，尽管两者的构造不同，但他们所起的作用却是完全相同的，都是为了实现 直流电动机的正确换相。 无刷直流电动机的控制方法和运行方式也因电动机本体的绕组型式不同而各 异，因为多数有刷直流电机的定子绕组是三相绕组，且本文设计所用的有刷直流 电机也是三相绕组，下面着重介绍三相绕组有刷直流电机的运行原理。 有刷直流电机的电枢绕组通常有三种接法，三相非桥式星形接法，三相桥式星型 接法，三相封闭式桥式接法( 绕组为三角形接法) 。在三相桥式中，功率开关元件 的导通方式又可以分为两两导通和三三导通，其输出的转矩大小不同，但转矩性 质相同。下面就重点讨论三相桥式星型接法下这两种方式的工作原理。 ( 1 ) 两两导通方式 两两导通方式就是指每一瞬间有两个功率管是导通的，每隔1 6 周期( 6 0 。电 角度) 就换相一次，每次只换相一个功率管，每个功率管导通1 2 0 。电角度，各功 率管的导通顺序依次是v 1 v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v s v 6 、v 6 v l 。如图2 2 所 示， 第二章无刷直流电机的基本结构和原理 l l + v l v 4 图2 2 三相星型桥式电路简图 当功率管v 1 和v 2 导通时，电流经v l 管，从a 相绕组流入，c 相绕组流出， 再由v 2 管回到电源。假设流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出的 电流产生的转矩则为负，a 、c 相绕组产生的转矩记为l 、瓦，则此时它们的合成 转矩大小为3 l ，方向在瓦和瓦的角平分线上，且l 和疋的夹角为6 0 。当电动 机转过6 0 。电角度以后，由v l ，v 2 通电换成v 2 ，v 3 通电，同样合成转矩的大小是 3 l ，但此时的合成转矩的方向已经转过了6 0 电角度。依次类推，可以看出，每 次换相一个功率管，合成转矩的矢量方向就随着转过6 0 电角度，但转矩的大小始 终是玩 在这种情况下，相电流应该是平顶宽度为1 2 0 的方波。其波形如图2 3 。所以 两两导通方式本质上是一种梯形电流控制策略，所以常用于反电动势为梯形波的 无刷直流电机( b l d c ) 。 i i 腓。 坩7 图2 3 两两通电方式下相电流和反电动势波形 ( 2 ) 三三导通方式 三三导通方式是指每一瞬间均有三个功率管导通，每隔6 0 换相一次，每个功 率管通电1 8 0 。，导通次序是v l v 2 v 3 、v 2 v 3 v 4 、v 3 v 4 v 5 、v 4 v 5 v 6 、v 5 v 6 v l 、v 6 v l v 2 、 v l v 2 v 3 。当v 6 v i v 2 导通时，电流从v 1 流入a 相绕组，经b 和c 相绕组( b 、 1 2 无刷直流电机智能控制系统的研究 c 两相绕组并联) 分别从v 6 和v 2 流出，这时流过b 和c 相绕组的电流分别为流过 a 相绕组的一半，合成的转矩矢量大小为1 5 乃，方向同a 相。经过6 0 。电角度后换 相到v 1 v 2 v 3 通电，即关断v 6 ，导通v 3 ，这时电流分别从v 1 和v 3 流入，经过a 和b 相绕组( 相当于a 和b 相绕组并联) 再流入c 相绕组，经v 2 流出，其合成的 转矩的矢量方向与一c 相同，转过6 0 电角度，大小仍为1 5 瓦。再经过6 0 电角度 后，换相到v 2 v 3 v 4 通电，而后依次类推，它们合成转矩依次呈圆周均匀分布。 三三导通方式的相电流波形如图2 4 所示，这种本质上是一种正弦波电流控 制策略，所以常用于反电动势为正弦波的永磁同步电机( p m s m ) 。 0on l 乙一、一i 图2 4 三三导通方式下的相电流波形 2 3 无刷直流电机的数学模型及动态结构 永磁无刷直流电机的转子为永磁磁钢，通过定子电枢绕组励磁，其气隙磁通 密度为方波分布，反电动势波形为梯形波。理想状态下，在每半个周期内，方波 电流的持续时间为1 2 0 。电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为1 2 0 电角度，两 者应严格同步。要十分精确地分析无刷直流电动机的运行特性，是很困难的。它 涉及非线性理论及数值解法等诸多问题，考虑b l d c m 两相导通星形三相六状态， 为简化模型的建立和分析，作如下假设【1 6 】： ( 1 ) 磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 ( 2 ) 忽略齿槽效应，三相对称的星形绕组均匀分布于光滑定子内表面。 ( 3 ) 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似梯形波，平顶宽度近似1 2 0 电角 度。 ( 4 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。 第二章无刷直流电机的基本结构和原理 则三相电压平衡方程1 17 】为： 1 f r 。o l j 2l o o 卅： l 一m 00 i + l 。0 - 。m 一0 mi 万d l 0 l + l i oom lj m 制q 以 式中：，为三相定子绕组电阻( q ) ；”。、u 6 、口。为定子相绕组电压( v ) ： 、i b 、为定子相绕组电流( a ) ：f 。、是定子相绕组电动势( v ) ： 上为每相绕组的自感( h ) ；m 为每两相绕组间的互感( h ) 。 b l d c m 的电磁转矩方程和运动方程为： t = ( e o i + e b i b + p 。i c ) 1 w ( 2 - 2 ) 式中，w 为电动机的机械角速度，单位r a d s 。 在通电期间，无刷直流电动机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的 感应电动势为： 玩= ( p n 6 0 ) a 。万( 2 - 3 ) 式中：p ：电机转子极对数西，：每极气隙磁通，单位( w b ) ：每相总导体数n ：电动机转速，单位( r p m ) 从逆变器的直流端来看，y 形联结的无刷直流电动机感应电动势e 由两 相绕组经逆变器串联而成，所以有： 易= 2 e = ( p n 3 0 ) e ：。n ( 2 - 4 ) 因此，电磁转矩表达式可化为： t = ( 2 e i d ) w = ( p n d r ) o 。l a ( 2 5 ) 式中，毛为电机绕组电流幅值，单位( a ) ，= 2 n n 6 0 ，转子角速度，单位( t a d s ) 由式( 2 - 5 ) 可以看出，无刷直流电动机的电磁转矩表达式和普通直流电 动机相同，其电磁转矩的大小与磁通o 。以及电流幅值l 成正比。因此控制逆 变器输出的方波电流的幅值就可以控制无刷直流电动机的输出转矩。 电动机的运动方程为： d w d t = ( 乏一瓦一s w ) j ( 2 - 6 ) 式中，t 为电磁转矩( n m ) ；瓦为负载转矩( n 珊) ；b 为阻尼系数 ( n 埘s r a d ) ；j 为转子的转动惯量( k g m 2 ) ；d w d t 为转子机械角加速 1 4 无刷直流电机智能控制系统的研究 度( r a d s 2 ) 。 这样就构成了完整的无刷直流电动机数学模型。 由上面的分析可知，对于采用两两导通三相六状态运行的电机，在将逆变器 当成简单开关的情况下，由于任意时刻电机只有两相导通，故从直流侧来看，无 刷直流电动机具有和直流电动机相同的特性。 无刷直流电动机的电势平衡方程为： u = e + r a + 三掣( 2 - 7 ) 其中，移为线电压，单位( v ) e 为反电动势，单位( y ) l 为电枢电流，单位( a ) 胄为绕组电阻，单位( q ) e = c e n 式中：c 为反电动势系数，单位( v ，r ) 玎为电动机转速，单位( r p m ) 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可得，当忽略摩擦转矩时， 方程拉普拉斯表达式为： 生盟：旦 u ( s ) 一e ( j )正0 ) + l r 式中：五( s ) = 去电枢回路电磁时间常数，单位为j 墨塑：旦 厶( j ) 一( s ) t s ( 2 8 ) 无刷直流电动机动态 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式中；乙= 2 刀豫，6 0 e c ，系统机电时间常数，单位为s ， c 。：丝e 电动机的转矩电流比，单位为m a ， 石 厶( s ) 负载电流，单位为爿 由式( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 可以得到电动机的动态结构如图2 5 所示。输出为电机转 速n 。 第二章无刷直流电机的基本结构和原理 图2 5 无刷直流电机动态结构图 2 4 本章小结 本章主要介绍了无刷直流电动机的结构特点，以及三相电机的运行方式。对 于电子开关线路，分析了全控桥式电路在绕组星型接法下的两两导通方式和三三 导通方式。对于本课题采用两两导通方式，其反电动势波形为梯形波。最后，给 出了各运动方程以及动态结构传递函数。 第三章无刷直流电机的f u z z y - p i d 的转速控制策略 1 7 第三章无刷直流电机的f u z z y - pid 的转速控制策略 3 1 双闭环调速系统的设计 采用转速负反馈和p i 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下 实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负 载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系 统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。 对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起 制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流受限的条件下， 希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为最大值， 使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降 低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时起动电流呈方形波， 而转速是线性增长的。这是在最大电流受限制的条件下调速系统所能得到的最快 的起动过程。 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳。为了实现在允许条件下最快 起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律， 采用某个物理量的负反馈就可以保持该量的基本不变，那么采用电流负反馈就应 该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让 它和转速负反馈同时加到个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转 速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。需要解决这一问题，这里引入转 速、电流双闭环调速系统“8 删。如图3 1 所示。 位, i r 捡捌 蛤 定 速 度 图3 1 转速、电流双闭环调速系统 图3 1 所示，从闭环的结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在 1 8 无刷直流电机智能控制系统的研究 外面，叫做外环。两者之间实现串联连接。首先，根据检测到的电机转子位置 信号，计算得到当前的转速；其次有速度参考值比较，得到速度误差信号，送入速 度控制器；转速控制器的输出就是相应的电流参考信号，该信号与实际的电机相电 流作比较后的误差值作为电流控制器的输入。电流控制器的输出经转化后将适当的 p w m 信号施加到电机功率变换模块上，通过控制功率晶体管的开通关断顺序这样就 形成了转速、电流双闭环调速系统。 双闭环调速系统起动过程的三个特点： ( 一) 、饱和非线性控制 随着a s r 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当a s r 饱和 时，转速环开环系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当a s r 不饱和时，转速 环闭环，整个系统是一个无静差调速系