（电机与电器专业论文）基于自抗扰控制器的无刷直流电机控制.pdf

a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) h a sb r o a da p p l i e dp e r s p e c t i v eb e c a u s eo fi t s e m i n e n tp e r f o r m a n c et h et r a d i t i o n a lt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n i n gm e t h o dh a v e b e e nd e v e l o p e dm a t u r e l y i tc a nb es a i dt h a tt h ew i d e ra p p l i c a t i o n so fb l d c m d e p e n ds o m e w h a tu p o nt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ni t ss p e c i a lc o n t r o lm e t h o d i nt h i s p a p e r , t h er e s e a r c hf o c u s e so ns p e e dc o n t r o la n ds o f t w a r ed e s i g nf o rb l d c m t h ea c t i v e d i s t u r b a n c er e j e c t i o nc o n t r o l l e r ( a d r c ) i si n d e p e n d e n to fs y s t e m m o d e la n do v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so fc l a s s i cp i dc o n t r o l l e r , s oa d r ch a sg o o d p e r f o r m a n c ea n ds i m p l ea l g o r i t h m i no r d e rt oa c h i e v eh i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f c o n t r o ls y s t e m ，an e ws t r a t e g yf o rb r u s h l e s sd cm o t o ri sp r e s e n t e db yu s i n ga d r ci n t h i sp a p e r t h e s t r a t e g y r e a l i z e st h ed i s t u r b a n c ec o m p e n s a t i o nw i t h o u ta c c u r a t e k n o w l e d g eo fm o t o rp a r a m e t e r sa n dt h ec o n t r o l l e rc a nb ed e s i g n e dw i t h o u ta c c u r a t e m o t o rm o d e l e x t e n d e ds t a t e so b s e r v e r ( e s o ) i na d r cc a nr e a l t i m ec a l c u l a t et h e v a l u eo fd i s t u r b a n c e s ot h em o t o rm o d e li st r a n s f o r m e di n t oas e r i e s - c o n n e c t i o n o b j e c t t h ec o n t r o ld e s i g ni n c l u d e st w oo n e o r d e ra d r c s o n ea d r cc o n t r o l st h e c u r r e n ti na r m a t u r ew i n d i n g ，w h i c hi st h ei n n e rl o o p ，a n dt h eo t h e ra d r cc o n t r o l s r o t o rs p e e d ，w h i c hi st h eo u t e rl o o p t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e r s e n s u r ev e r yg o o dr o b u s t n e s sa n da d a p t a b i l i t yu n d e rm o d e l i n gu n c e r t a i n t ya n de x t e r n a l d i s t u r b a n c ea n dp r o d u c eb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c et h a nc l a s s i cp i dc o n t r o l l e ri n t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s e m b e d d i n gr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ( r t o s ) i n t ob l d c mc o n t r o lc a n r e d u c et h ec o m p l e x i t yo fd e v e l o p m e n ta n di m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m e f f e c t i v e l y g c o s i i ，t h er e a l t i m ek e m e li sp o w e r f u la n do p e n - s o u r c e i ti sf i r s t p o r t e dt ot m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai no r d e rt oc o m b i n eg c o s 1 1w i t ht m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h e n ，t h ec o n t r o ld e s i g ni sg i v e no nt h eb a s i so ft h ea c t i v e d i s t u r b a n c er e j e c t i o n c o n t r o l l e r ( a d r c ) s p e c i f i cr e q u e s to ft h ed e s i g ni sr e a l i z e db ym e a n so fm a n y d i f f e r e n tt a s k s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h eg o o dr e a l t i m ec h a r a c t e ra n dr e l i a b i l i t yo ft h e c o n t r o ls y s t e m t h ea d r cc o n t r o l l e r se n s u r ev e r yg o o dr o b u s t n e s sa n da d a p t a b i l i t y u n d e rm o d e l i n gu n c e r t a i n t ya n de x t e r n a ld i s t u r b a n c ea n dp r o d u c eb e t t e rd y n a m i c p e r f o r m a n c et h a nc l a s s i cp i d c o n t r o l l e ri nt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ，a t i v e - d i s t u r b a n c e r e j e c t i o nc o n t o r l l e r ， g c o s 一1 1 ，s p e e dc o n t r o l ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞基鲎或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储躺：本 抖醐：知叶年洲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字同期：乒。年年 导师签名：幸巴毛 签字日期：3 p u 年，月fo 日辱忡 疼， 天洋火学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先简述无刷直流电动机和自抗扰控制器的特点、应用领域及发展前 景，并在此基础上介绍了课题的选题背景与意义，最后是论文的主要研究内容。 1 1 无刷直流电机的特点 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通 的直流电动机由于需要机械换向和电刷，可靠性差，需要经常维护，换向时产生 电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机 械换向带来的缺点，以电子换向取代机械换向的无刷电机应运而生。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向电路代替机械电刷的专利，标志着 现代无刷直流电机的诞生。而电子换向的无刷直流电机真正进入实用阶段，是在 1 9 7 8 年的m a c 经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。在此之后，国际上对无 刷直流电机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷直流电机和正弦波无刷直流 电机。2 0 多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电 子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷直流电机得到了长足的发展。 永磁无刷直流电机除了保持有刷直流电机优越的起动和调速性能外，其最大 的特点是没有换向器( 整流子) 和电刷组成的机械接触结构，因而具有寿命长、 噪音低和电磁干扰小等一系列优点。此外，永磁无刷直流电机的转速不受机械换 向的限制，可以将它的转速做得很高，现在就已经有转速每分钟8 0 ，0 0 0 转的产 品面世，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，它甚至可以在每分钟高达几十万转的 速度下运行。而且永磁无刷直流电机由于其结构上的特点，发热的电枢绕组通常 装在外面的定子上，这样热阻较小，散热容易。无刷直流电机还具备交流电动机 的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，因此永磁无刷直流电机在当今生产、 生活各个领域中的应用日益普及【1 1 。 1 2 无刷直流电机的应用领域与发展现状 近二十年来，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术的飞速发展和先 进控制理论的应用，无刷直流电动机已成为发展最快并且最具工业应用前景的新 天津大学硕士学位论文 第章绪论 型电机之。无刷直流电动机最初应用于国防、航空航天、机器人等少数高科技 领域，近十年来其应用范围已扩展到办公自动化、家用电器、工业过程控制、精 密机床和汽车电子等领域。 一、无剧直流电机在办公自动化领域的应用 计算机外设和办公自动化设备用的电机，绝大部分为先进制造技术和新兴微 电子技术相结合的高档精密永磁无刷电动机，是技术密集化和高投资类产品。如 硬盘驱动器用的主轴永磁无刷电动机以高速带动磁头盘片旋转，对盘片上的数据 执行读写功能的磁头离盘片表面只有0 卜0 3 u m 处作悬浮运动。光盘驱动器和软 盘驱动器的主轴电机也为无刷直流电机，电机要求低噪音、耐低温、耐高温，能 承受一定的振动和冲击。计算机冷却用的无刷电机要求结构紧凑、工作寿命长和 高转速等。用于该类用途的无刷直流电机一般采用转子外置式，转子的磁钢选用 为粘性钕铁硼。 二、无刷直流电机在家用电器中的应用 家用电器选用无刷直流电机要求低噪音、节能、高可靠性和智能化。随着人 们生活水平的提高，许多家用空调压缩机和洗衣机内的电机都选用了无刷直流电 机。吸尘器、搅拌机和家用电风扇也有望采用无刷直流电机代替目前使用的电机， 这样不仅能克服目前所用电机的缺点，还能降低能源损耗。 三、无刷直流电机在工业上的应用 传统的步进电机、有刷直流电机和异步电机驱动控制系统都存在有一定的缺 陷，若采用无刷直流电机情况会大大改善。由于永磁无刷电动机驱动控制系统集 有刷直流电动机和交流异步电动机驱动控制系统的优点于一体，并随着稀土永磁 材料和电力电子元器件价格不断降低，性能不断提高，目前工业中使用永磁无刷 电机驱动控制系统越来越多，该系统将是主要的发展方向。国外著名的电机制造 厂商对工业用的永磁无刷电机驱动控制系统都在进行研究、开发和生产，并不断 地提高性能和降低价格，其产品也广泛用于工业系统p 1 。 无刷直流电机主要有电动机本体，位置传感器和电子开关线路三部分组成t 因此电子技术、电子元件、新材料、新型电机的开发和先进控制理论的出现都进 一步了推动无刷直流电机的发展和应用。 1 、电力电子技术及微处理技术对无刷直流电动机的影响 ( 1 ) 电机向高电压、低电流发展 相对来说，电子元器件容易做到高电压、低电流，尤其是功率场效应晶体管， 在大电流下管压降大，晶体管上损耗也大。另一方面在高电压、低电流情况下， 功率晶体管上的管压降为总线电压的比例也小，这样可以进一步提高系统的效 率。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 正弦波电流驱动 高速微处理器和d s p 器件的出现，使得运行速度和处理能力提高很大，而 且还有专用的控制芯片出现。随着这些器件的普及和应用的扩大，器件成本大幅 度下降。因此性能明显优秀的f 弦波电流驱动的电动机会比方波驱动的电动机更 受欢迎。但正弦波电流驱动的电动机需要带有一定精度的位置传感器，成本会更 高些，所以这种代替并不是在任何场合下都可使用的。 ( 3 ) 无位置控制 由于高速微处理器及数字信号处理器( d s p ) 的出现，也更加保证了无刷直 流电机的性能。在一些需要控制成本和空间要求严格的应用中，增加位置传感器 不太实用或无法接受。然而，d s p 固有的计算能力可被用来在无刷直流电机上实 现无位置控制。在无刷直流电机中，可以有一种仅需四个电阻从获得的位置、速 率、干扰转矩信息中进行分配网络的无位置控制算法。此外，这个算法提供了瞬 态位置和速率信息，而不象传统的算法中需要采取过零算法。低成本d s p 为压 缩机、洗衣机、风扇、泵机和高压交流驱动中的无位置控制提供了优化的方案。 d s p 电机控制器的应用已经说明无刷直流电机无位置控制的应用前景，一个新型 高性能器件已经随着1 业驱动设备的要求推向了市场【4 】。 ( 4 ) p w m 控制 采用双极性功率晶体管时，电路的丌关频率一般在( 2 5 ) k h z ，这样的频率是 在人耳声频范围之内，噪声令人讨厌。同时，在绕组电感不够大时，绕组电流波 形不够平滑、纹波很大。采用功率场效应晶体管和绝缘栅双极性晶体管之后，开 关频率可达1 0 k h z 以上。这样，不论是电磁噪声还是电流波形都得到改善【5 l 。 2 、永磁材料的发展对电机性能的促进 电机的小型、轻量与高效率和磁性材料的发展息息相关。磁性材料发展较早 的是铝镍钴，这种磁性材料磁能积低，合金中含钴，价格贵，但温度特性好，所 以至今某些场合还是用到它。后来开发出铁氧体磁性材料，这种磁性材料磁能积 并不高，但价格低，因此在很长一段时间内占了主导地位。再后来是钐钻合金的 丌发成功，这种磁性材料一下子突破传统磁能积数值，成倍提高，但是合金元素 钐是稀土元素，价格昂贵，合金元素也是比黄金贵几倍的材料，且是战略控制物 资，因此大大局限了这种高性能磁性材料的推广应用。1 9 8 3 年日本人发明了钕 铁硼( n d f e b ) ，引起了磁性材料的场大革命。钕铁硼磁性材料磁能积高，不含 价格昂贵的合金元素，钐和钕同为稀土元素，但钕的价格较为便宜，因此使电机 效率的提高和小型化出现了转机。 由于有了高磁能积的钕铁硼，从而不需要体积较大的软磁和激磁绕线包，电 机的体积和重量因此可以大大减小，j o h 2 1 - 也变得简单。电机的电枢绕组也由于磁 天汴人学硕士学位论文第一章绪论 性材料性能的提高而使绕组线圈大大减少 6 j 。 3 、新型无刷直流电机的开发 无刷直流电机中，应该进一步改进的问题中首先是转矩脉动，尤其是用于视 听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电机，更要求运行平稳、噪声小。在这 些应用场合中的电机，大多为小功率、小尺寸的电动机，尺寸紧凑，改动更为困 难。为了改进性能，利用计算机进行模拟、分析、计算和比较，研究气隙磁场形 状和磁极结构，选择合适的极对数和齿数以及合适的槽口尺寸。为了满足各种特 殊要求，也在不断的开发各种类型的无刷直流电机。如：无槽电机，定子铁心无 齿槽，定子绕组直接放在定子铁心轭上；盘式电机，具有两个轴向的气隙，在小 容量的情况下，这种电机容易做到低噪声、低振动、低转矩脉动、高效率和高功 率密度。和有刷直流电动机相对应，新品种中无刷直流电机还包括：无刷直流力 矩电动机、无刷直流真线电动机、无刷直流有限转角电动机和低惯量无刷直流电 动机等等【7 1 。 4 、先进控制策略的应用 现代工业中对电机性能的要求越来越高，而电机性能的改善主要通过以下两 个途径：一是对电机本体的研究，主要是采用特殊结构以改善电机性能；另一种 途径就是采用先进的控制策略。现代控制理论和智能控制理论在无刷直流电机控 制上都得到了充分的应用。文献1 0 - 1 7 分别采用了神经网络、模糊控制、变结构、 鲁棒调节器、参数自适应控制等各种先进控制策略对无刷直流电机进行控制。 1 3 自抗扰控制器介绍 自抗扰控制器是中国科学院韩京清研究员经过多年潜心研究并发展完善的 一种非线性自适应控制器。其理论最初的发展源头来源于经典p i d 控制器。韩京 清研究员发现，经典p i d 控制器有着强大的生命力是因为控制目标和对象实际行 为之间的误差信号容易获得，基于误差的反馈策略也容易实现，且不依赖于系统 的精确模型。经典p i d 控制器存在的不足有： ( 1 ) 直接取设定值和输出之间的误差是不合理的，系统输入信号常常是不 光滑的，而输出信号通常是光滑的，经典p i d 控制器的这种误差确定方法可能会 导致系统超调或振荡。 ( 2 ) 微分信号的实现需要改进，现场微分信号的实现通常采用差分或超前 网络，这种方式对噪声放大作用很大，会导致微分信号失真而不能使用。 ( 3 ) 有误差信号的比例、微分和积分形成的p i d 控制量不易解决快速和超 调间的矛盾，不一定是最优的。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 积分反馈的引入可能会使系统不稳定【i 8 - 1 9 1 。 为改进经典p i d 控制器的上述缺点，韩京清研究员提出了非线性p i d 控制器 结构，该控制器有着较强的对象适应性和鲁棒性，具体改进方法是： ( 1 ) 通过跟踪微分器安排给定信号的过渡过程。 ( 2 ) 对测量信号的反馈信号使用另一个跟踪微分器进行预处理，既得到了 滤波的输出，又可得到输出的微分信号用于构造误差的微分以形成控制量。 ( 3 ) 大胆引入非线性处理方法通过选择误差信号比例、微分和积分三者 合适的非线性组合来保证控制量的精确高效 2 0 - 2 2 】。 九十年代中期，扩张状态观测器的出现为进一步改善非线性p i d 控制器提供 了条件【2 “。扩张状态观测器不仅能够得到不确定对象的状念，还能获得控制对象 的内扰与外扰的实时作用量。将这个作用量补偿到控制器中去后，就可以把非线 性系统变成“积分串联型”标准结构【2 “。把系统化为“积分串联型”以后，就能 对它采用“状态误差反馈”来设计出理想的控制器。状态误差反馈的确定根据需 要既可选择线性组合又可选择非线性组合，即非线性状态误差反馈( n l s e f 控 制律) ，经过改进后的非线性p i d 控制器也就是今天的自抗扰控制器( a d r c 严”。 自抗扰控制策略具有如下诸多优点： ( 1 ) 安排过渡过程解决了快速和超调之间的矛盾： ( 2 ) 不用积分反馈也能实现无静差，避免了积分反馈的副作用； ( 3 ) 统一处理确定系统和不确定系统的控制问题； ( 4 ) 抑制外扰，不一定要知道外扰模型或进行直接测量； ( 5 ) 同一个白抗扰控制器控制时间尺度相当的一类对象；线性、非线性对 象。视同仁，不用区分； ( 6 ) 实现控制，不一定要进行对象辨识； ( 7 ) 解耦控制，只需考虑静态耦合，不用考虑动态耦合； ( 8 ) 自抗扰控制器容易控制时滞系统。 在自抗扰控制技术中，系统分类不再是按照传统的线性、非线性、时变、时 不变方式，而是按系统的时间尺度进行分类的。 自抗扰控制器可用来控制时变系统、多变量系统、最小相位系统等，由于其 优良的性能，近年来已经在电力系统、励磁控制【2 7 】、混沌系统1 2 ”、可控硅串 联补偿装置 2 9 】、异步电机调速系统3 0 1 、飞行器姿态控制 3 1 和平台稳定回路控制【3 2 】 等领域得到了广泛的应用。随着应用的需要，自抗扰控制器自身也得到了进一步 的发展和完善，出现了基于神经网络的自抗扰控制器i j ”、模型配置自抗扰控制 器p “利串联型扩张状态观测器构成的自抗扰控制器1 36 j 等各种改进型。自抗扰控 制器的进一步理论分析和参数整定方法也逐渐成熟，仿真软件也己丌发成功，这 天津大学硕士学位沦文第一章绪论 些都大大促进了自抗扰控制器的实用化 3 7 - 3 8 】。 1 4 本课题的选题背景和意义 较多电动机控制系统采用的是经典p i d 控制器，由于无刷直流电机是一个非 线性系统，如电枢反应的非线性、转动惯量和相电阻的变化等，致使经典p i d 控 制器难以满足控制系统的性能要求。现代控制理论如最优控制理论、自适应控制 理论和滑模变理论可以有效提高电机的运行性能。但由于无刷直流电机是一个多 变量、强耦合的系统，部分状态变量不易或者无法检测，采用现代控制理论设计 控制方案时，运算量往往较大，需要高性能微处理器支持，控制系统成本较高。 具有自适应、自学习功能的智能控制策略如模糊控制、神经网络控制等虽然控制 电机时能得到较为满意的结果，但是设计难度大，计算复杂，不易在实际工程中 得到推广和应用。自抗扰控制器是在继承经典p i d 不依赖于对象模型优点的基础 上，通过改进经典p i d 固有缺陷而形成的新型控制器。该控制器算法简单，参数 适应性广，能自动检测并补偿控制对象的内外扰，控制对象参数发生变化或遇到 不确定性扰动时都能得到很好的控制效果，具有较强的适应性、鲁棒性和可操作 性。 目前对无刷直流电机控制主要通过单片机或者数字信号处理器实现，控制软 件大都采用主循环和顺序调用子程序模块的模式进行开发。随着单片机性能的大 幅提高和实际应用的复杂化，传统的微处理器在控制无刷直流电机时，由于本身 指令功能不强，处理速度慢，乘除法所用周期过多等缺点致使无刷直流电机的性 能得不到充分发挥。传统的软件开发也已不能满足实际要求，主要存在以下问题： 一是中断得不到及时响应，处理时间过长，这对于一些控制场合是不允许的；二 是系统功能复杂，要考虑的各种可能也多，各种资源如调度不当就会发生死锁， 软件可靠性降低，程序编写任务量呈指数增加，不仅增加了开发难度，而且延长 了丌发周期。若在程序开发中使用实时操作系统，将控制软件分成若干个独立的 任务分别实现，不仅可以简化程序设计，减少开发时间，而且控制系统的实时性、 稳定性和可靠性都能大大提高，应用程序也便于维护和扩展。 从上述两个方面出发，本文展开了相关的研究工作。本课题的研究得到了天 津市自然科学基金重点项目( 0 1 3 8 0 0 8 1 1 ) 的资助。 1 5 论文主要研究内容 无刷直流电机具有诸多优点，日益广泛的应用也对其控制性能提出了更高的 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 要求，为此，本文将在女h t j l 个方面进行分析和研究，给出无刷直流电机的新型 控制策略，以获得满意的控制性能： ( 1 ) 推导无刷直流电机的新型数学模型，作为新型控制策略研究的基础； ( 2 ) 采用自抗扰控制方法，完成控制器相关参数的整定，以适应无刷直流 电机控制系统对动态特性的高性能要求： ( 3 ) 在理论研究的基础之上，设计硬件电路，在嵌入式操作系统平台上开 发控制软件，将所提出的新型控制策略予以实现，并给出系统软硬件的抗干扰措 施。 天津大学硕士学俺论文第二章无刷直流电机的自抗扰控制 第二章无刷直流电机的自抗扰控制 本章首先介绍了无刷直流电机的结构和工作原理，然后对自抗扰控制理论进 行了详细阐述，在完成无刷直流电机数学模型的推导后，将自抗扰控制理论应用 于无刷直流电机的控制，最后给出了控制器的离散形式和相关参数的整定方法。 2 1 无刷直流电机结构及工作原理 2 1 1 无刷直流电机结构 无刷直流电机就其基本结构而言，可以看成由电子开关线路、永磁同步电动 机以及位置传感器三者组成的电动机系统。无刷直流电机具有旋转的磁场和固定 的电枢，电子开关线路可直接与电枢绕组相连，位置传感器和电子开关线路则代 替了有刷直流电机的机械换向装置。无刷直流电机一般有电机本体、转子位置传 感器和驱动控制电路组成，如图2 1 所示。 i 。：= l l l 图2 1 无刷直流电机组成框图 电机本体结构上与永磁同步电动机相似，主要由主定子和主转子组成。主定 子是电机本体的静止不分，包括定子的导磁铁心和导电的电枢绕组等。主转子采 用永久磁铁励磁，目前多用稀土的永磁材料。由于转子几何形状的不同，使得转 子磁场的分布有f 弦波和方波两种。因此转子旋转时定子上的电动势也分为两 种，这导致两种电机在原理、模型和控制方法上有所不同。为了进行区别，分别 称之为正弦波型直流无刷电机和方波型直流无刷电机。本文研究的对象是后一种 无刷直流电机。 位置传感器主要有敏感式、耦合式、谐振式和接近式几种，它们各自采用不 同的检测机构来对转子位置进行检测，并输出信号控制电机定子对应绕组的导 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的白抗扰控制 通。 驱动控制线路功能是将电源的功率按照一定的逻辑关系分配给无刷直流电 机定子上各相绕组，使电机产生持续不断的转矩。当定子绕组的某一相导通时， 该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转， 再由位置传感器将转子的位置变换成电信号，驱动控制线路对该信号进行处理， 按一定的逻辑代码控制未级功率丌关管，从而使定子各相绕组按照一定的次序导 通，定子相电流随转子的位置变化而按一定的周期换相。控制线路输出的导通顺 序是与转子转角同步的，因而也起到了直流电机机械换向器的换向作用。 2 1 2 无刷直流电机工作原理 一般的直流电动机由于电刷的换向，使得有永久磁钢产生的磁场与电枢绕组 通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运 转。无刷电机的运行原理与有刷直流电机原理基本相同，即在一个具有恒定磁通 密度分却的磁极下，保持电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩， 且转矩只与电枢电流有关。无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出 转子的位置信号，通过换向驱动电路驱动与电枢绕组相连接的各功率丌关管的导 通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。 随着转子的旋转，位置传感器不断地送出信号以改变电枢的通电状态，使得在同 一磁极下的导体中的电流方向不变，因此可产生恒定的转矩使无刷直流电机转动 起来。 无刷直流电机按控制电路来分有桥式和非桥式两种，按电机绕组结构来分有 y 接和接两种方式。桥式y 接电机有转矩波动小，输出转矩大等特点。本课 题的样机是采用三相桥式y 接结构电机，下面以此类型电机为例说明永磁无刷 电机的换流过程。 三相桥式y 接电机，每时刻有两相导通，第三相悬空。传统的永磁无刷直 流电机的电枢导通顺序由转子的位置信号决定。 如图2 2 所示，设丌始导通相为a 、c 相，此时功率管t l 、t 6 打开，电流由 a 相流入，由c 相流出；此状态维持6 0 。电角度后开始换相，t 6 关断，t 5 打丌， 此时电流由a 相流入，由b 相流出：同样当前状态维持6 0 0 电角度后再次开始换 相，依次类推，回到丌始的状态时就形成一个周期。整个过程构成三相六拍六状 态，每个状态维持6 0 。电角度。各相绕组电流状态如图2 3 所示。每周期内每相 绕组正向导通1 2 0 。，反向导通1 2 0 0 。 天津人学硕士学位论文第二章无刷赢流电机的白抗扰控制 图2 2 无刷直流电机结构原理图 f ( a ) a 相相电流 i f b lb 相相电流 il jl r 2 2 自抗扰控制器 2 2 1 自抗扰控制器原理 f c lc 相相电流 图23 无刷直流电机相电流波形图 目前在工业控制中占主导地位的仍然是经典p i d 控制器。经典p i d 控制器 1 0 人律人学硕十学位论文 第一章无刷直流电机的自抗抗控制 依靠控制目标和实际行为之间的误差来确定如何消除该误差，控制机理完全独立 于对象的数学模型，这是经典p i d 控制器的最大优点，但经典p i d 控制器同样 也存在较多的缺点： ( 1 ) 误差的耿法有待改善； ( 2 ) 提取误差微分的办法不尽合理； ( 3 ) 选用的加权和策略不一定最好； ( 4 ) 积分反馈有很多副作用。 白抗扰控制器在保留了经典p i d 控制器优点的同时，采用了多种手段克服了 经典p i d 控制策略的缺点，具体办法是： ( j ) 安排合适的过渡过程； ( 2 ) 合理提取微分； ( 3 ) 在非线性领域探讨三种状态的合适组合方法； ( 4 ) 探讨扰动估计的办法，实时、动态、准确地得到总扰动的大小。 对于没有输入输出的封闭系统来说，线性系统和非线性系统有着完全不同的 拓扑结构，两者不能进行任意转化，但控制系统和封闭系统有着很大的区别，具 有控制输入和反馈，是一个开放系统。控制系统中的反馈作用能够破坏原系统的 犬部分拓扑结构，义能建立起全新的拓扑结构。若能充分利用反馈的这一特点， 不仅可以将非线性变成线性，还可以将线性变成非线性。 对于一般的非线性对象 2 他n ，f ) + 砸) + “( 2 1 ) 陟= m ) 式中，f ( x ，置，x n - i ) ，) 为未知函数：w ( t ) 为未知外扰；y = x ( ，) 为量测输入；“为 控制输入。 将式( 2 1 ) 变换成为状态空问表达式 x 2 x 2 x 。l = x t ， ( 2 - 2 ) 毫，= f ( x ，量，一，”一，t ) + w ( t ) + h v= x ， 如果f ( x ，j ，x ”。，t ) + w ( f ) 精确f f s * l l 的i 舌，取。f 。为 删( 2 - 2j j 变换为个新的线性系统 大津人学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的自抗扰控常 x l= x 2 这样系统( 2 2 ) 的控制器设计问题就可以转化为式( 2 - 4 ) 的控制器设计问题， 即反馈线性化。 由于式( 2 。4 ) 对应的系统线性可控，因此可以采用常见的线性状态反馈控制 律 2 擎( ) ( 2 5 ) 式中，v l 为输入信号，v f 为u 的i 一1 次微分，合理选择k ，可以任意配置闭环系统 的极点。但由于f ( x ，i ，x ( n - i ) f ) + w ( t ) 往往不能精确己知，所以也就很难得到式 ( 2 3 ) ，这导致反馈线性化很难被使用。 系统( 2 。2 ) 的n 个状态变量为 x ( r ) ，j ( r ) ，x ( n - i ) ( r ) ，加入一个变量x ( ”( f ) ， 即令x = x ( ，) = f ( x ，x ，x f n - t l , ，) + w ( t ) = a ( t ) ，就得到扩张的 + 1 个状态变量 x ( f ) ，主( f ) ，一，z 一o ) ，x ”0 ) 加入扩张状态后的系统方程为 构造非线性系统 x l= 工2 x h2 “ 一r2 矗+ j + “ y2 x l 2 l = z 2 一9 1 ( 2 l y ) j 。= z 。+ i g 。( 而一y ) + “ 毛+ i = g ( z i y ) 使得以，( ，) 为输入的系统( 2 - 7 ) 的各状态分别跟踪扩张后的状态变量 x o ) ，童o ) ，工”1 u ) ，x “( r ) 即 2 i ( ，) 斗x 1 ( t ) z 。( ，) 斗( f ) z ( ，) 呻x n + 1 ( f ) = f ( x 1 ，x 2 ，) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ) ， ( 砖一 1 1 = = 一 矗y 天津大学硕十学位论文第二章无刷直流电机的自抗扰控制 若能实现上述跟踪目的，那么f c x ，量，x ( n - i ) , r ) + w ( t ) 就可由z 。( f ) 实时估计 出来。 大量的仿真试验表明，可以选择以下的非线性函数g ，f = l ，n + l g ，( z l y ) = 届f a l ( z l y ，a ，j ) ( 2 - 8 ) 式中向f 函数为： 眺印斗黔彬 注意这个扩张状念观测器是独立与系统模型之外的。至此己解决了制约反馈 线性化应用的问题。 对系统( 2 - 2 ) 选择控制律 “= “。一z ( 2 - 9 ) 就得到系统( 2 - 4 ) 。即通过扩张状态观测器把含有未知扰动的非线性不确定性对 象化微积分串联性对象，这样就能用状态误差反馈来设计理想的控制器了控制 律的选择不必局限在线性形式上，办可采用非线性配置，这就产生了非线性状态 误差控制律，用数学公式描述为 = 屈扣_ - ，口，占)( 2 1 0 ) 式中，v 一z ，为安排过渡过程及其各阶导数和对象的状态变量之间的差。适当选 择控制律式( 2 1 0 ) 的各个参数，该控制器会有很好的适应性和鲁棒性。 综上所述，自抗扰控制器是在反馈线性化的基础上设计的新型控制器，由跟 踪微分器( t d ) 、扩张状态观测器( e s o ) 、非线性反馈控制律( n l s e f ) 三部 分组成。它通过非线性变换，将非线性系统转化为线性系统的积分串联结构，从 而实现了动态系统的反馈线性化。由于自抗扰控制器是根据被控系统的时间尺度 划分对象，因此设计时不用考虑系统的线性或非线性，时变或时不变，可用于控 制时变系统、多变量系统和非最小相位系统等多种控制对象。对应于( 2 - 1 ) 式 非线性对象的自抗扰控制器结构图如图2 4 所示。 图2 4 自抗扰控制器结构图 大泮大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机的自抗扰控制 选择自抗扰控制器控制对象时，要先知道对象的阶数。虽然自抗扰控制器是 一种无模型控制器，但是这里所晚的无模型并非指没有模型，而是指一个所有对 象都具有的、普遍的、共性的模型。 在自抗扰控制器中，跟踪微分器的使用减小了系统的初始误差，解决了系统 响应快速性和超调性之间的矛盾，并可根据需要安排给定输入的过渡过程；扩张 状态观测器估计系统状态和内外扰，将含未知干扰的非线性不确定性对象化为积 分串联型对象进行控制；非线性反馈控制律用来给定控制信号，得到的控制量 “( f ) = ( f ) 一z 2 。) 中的_ z 2 ( 。) 为补偿扰动的分量。非线性反馈控制律用一个简单 的非线性函数实现了对控制工程界的经验知识“大误差小增益，小误差大增益” 的数学拟合，提高了自抗扰控制器的动态性能和鲁棒性。 一阶自抗扰控制器方程为 毫l = 一r 。例( ：i i 一“f ) ，a o ，a o ) s 2 2 i i y 乞，= 乞：一届。例( 吕q ，瓯) + “ 2 ：= 一屈。甜( 晶q ，4 ) ( 2 1 1 ) = z 1 1 一z 2 l u 0 = 反例( 毛，a 2 ，嘎) “= u o 一乇2 b o 陔控制器算法只需对象的输入输出数据“和x ，简单且易实现。 2 2 2 自抗扰控制器离散算法 为了在d s p 上实现自抗扰控制器算法，须对其进行离散化，下面以二阶白 抗扰控制器控制对象为例，给出步长为h 的欧拉法离散计算形式算法。假设对象 为 j2 ( 7 ) = 厂( 。，2 ) + w ( ) + “o ) ( 2 - 1 2 ) l y = x ( t ) 式中w ( ，) 为系统扰动。 1 、跟踪微分器的离散算法实现 首先定义三个函数 f j i g n ( x ) h 6 5 毗占卜1 x i xr 2 o o 0 风 风屏风鼠 第二章无刷直流电机的白抗扰控制 将扩张状态观测器离散化后，稳定域会变小，离散后e s o 稳定的充分必要 条件为 2 屈： 2 3 鼠，h3 0 4 鼠l h 一4 鼠2 h2 + 3 风3 h 3 0 0 l ( 2 a ：h2 3 a ，h 3 ) ( 4 风，h 一4 屈2 h2 + 3 , 0 0 h 3 ) 属，h3 ( 8 4 鼠i + 2 风2 h 2 般耿0 风，h 2 ，则( 2 - 2 4 ) 可化简为 ( 2 - 2 4 ) 一p o 】h 3 ) 0 成l h 2 o 风a 3 7 s p l k # 0 4 5 0 ，c o m p l a c c c o m p l d p# 0 e 8 h 天津人学硕士学位论文 第三章控制系统硬件设计 s a c l s p l k s p l k s p l k s p l k 二、a d 转换 c m p r l # 0 f f f f h ，c m p r 2 # 0 f f f f h ，c m p r 3 # 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 b ，c o m c o n a ；e n a b l ec o m p a r eu i n t # 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 b ，t 1 c o n ；p w mo u t p u te n a b l e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的a d 转换顺序器包含两个独立的8 状态顺序器，也可以 当作一个1 6 状态的顺序器使用，“状态”指的是要转换的模拟量。单顺序器模式 ( 1 6 状态) 及双顺序器模式( 两个8 状态) 的框图分别如图3 4 、3 5 在这两种情况下，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的a d c 单元都有将要转换的模拟量自 动排序的能力。对于每一次转换，可通过模拟互斥开关( a n a l o gm u x ) 选择1 6 个输入通道中的任何一个。转换完毕，通过被选中通道转换成的数字结果存放于 相应的结果寄存器。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 还允许对同一个通道采样多次、多重采样。 a d 转换的启动信号可以由软件、事件管理器或者外部信号引脚触发。 山1 a i o qm u x r 粕u l tm u x 图3 4 单顺序器1 6 状态模式 天津人学硕士学位论文 第三章控制系统硬件殴计 图3 5 双顺序器模式 用汇编语言实现a d 转换的部分程序清单如下所示： ( i n i t i a l i z ea d cr e g i s t e r s ) l d p # 0 e 1 h s p l k # 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 b ，a d c t r l l ；r e s e ta d cm o d u l e s p l k # 0 0 11 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 b ，a d c t r l l ；t a k ea d co u to f r e s e t ；15 一r s v d i1 4 一r e s e t ( 1 ) i1 3 ，1 2 s o f t & f r e e ；1 1 ，1 0 ，9 ，8 一a c q p r e s c a l e r s l7 一c l o c kp r e s c a l e r ；6 一c o n t r u n ( 1 ) l5 一i n t p r i o r i t y ( h i o ) ；4 一s e q c a s c ( 0 - d u a l ) ；s e t u pam a x i m u mo f16 c o n v e r s i o n s s p l k # 1 5 m a x c o n v ；s e t u pf o r 1 6c o n v e r s i o n s ；p r o g r a mt h ec o n v e r s i o ns e q u e n c e ；t h i si st h es e q u e n c eo fc h a n n e l st h a tw i l l ；b eu s e df o rt h e16c o n v e r s i o n s s p l k # 0 3 2 1 0 h ，c h s e l s e q i ；c o n v e