（电机与电器专业论文）无刷直流电动机的滑模观测控制研究.pdf

a bs t r a c t t i l eb l u d l l e s s 【) cl l l o t o l ( b l d c m ) h a sb e e nb l o a d l x a p p h e db e c a u s eo fi t s e l l l u l e l l tp e r f o r m a n c e ，t ti sr e l i a b l et oc o n t r o lw i t l ls t m p l es t r u c t u r ea l l ( ic o n v e l l i e l l c et o m a i n t e n a n c e 、h i c hi sc 、? n e db yt i l ea cn l a c h m e s a n dh a v el l i 璺1e f t i c i e n c 3 ：g o o d 1 ) e l f o n n a n c eo f q ) e e d1 e g ul a ti o na sd c l n a c h m e s s oi ti sw i d e l yu s e di i lt i l ej i l ( h l 髓l y t i l et r a d i t t o n a lt h e o l e t i c a l a l l a l y s i s a n dd e s i g n u l gm e t i l o dh a v e b e e nd e v e l o p e d m a t l l l e l yi t c a l lb es a i dt h a tt i l ew i d e ra p p l i c a t i o n so fb l d c m c l q ) e n ds o l l l e w h a tl l p o l l t i l ef i u l l l e t l e s e a l c ho i li t ss p e c i a lc o n t r o lm e t h o d ， s l i d i n zn l o d ev a l 。i a b l e s t l u c t t u ec o n t l 。o l 呔c h a r a c t e r i z e dw i t hd i s t u r b a n c e d e p r e s s i o n ，m l ( 1i n s e n s i t i v i t x ，jt op m m n e t e l a l t e r a t i o n s i th a sb e e nu s e di l lm o t o l 单e e x l c o n t r o l 、1 ) o s a t i o nc m l i r 0 1 t i l es l i d i n zm o d eo b s e l v e rc a l le v a l u a t et i l e s t a t eo fu n c e r t a i n o b j e a a n dr e a l t l i l l e q u m l t i t i e s o ft h eo b j e c t sd i s t u r b a n c em i dg o t t e nt i l eg o o d 1 ) e l f o n n a n c eo fb r u s h l e s sd c m o t o l sc o n t r o l ，i l lt i l ep a p e l 。，t i l es l i d u l gl l l o d eo b s e l w l _ i s d e s i g n e db a s e ( 10 1 1t i l ec h a r a c t e r so ft i l em o d e lo ft h em o t o ra l l dt i l e 、, , a r i a b l e , 对r u c t t l l + e c o l l t l o l ，t i l ed e s i g n i n gm e t h o dm i dp o l el o c a t i o no ft i l eo b s c a v e ra l ed e m o n 对r a t e d ， b a s e do i lt i l em o d e io fm o t o l 。t i l ev m i a b l es - , t 1 1 1 c t l l r ec o n t l 。o l l e i i sd e s i g n e dw h i c hi s i n s e n s i t i v et ot h ed i 对l l l b a n c e ，b e c a u s e o f , a 1 1 ) e r l o l 。l t yp e a f o m l a n c e a n da b u n d a n t o x t e m a ld e v i c e so ft i l et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c o n t r o lc l n p ，w eu s et i l l sk n l dc h i pt od e s i _ o n a n da c h i e v et h el l a r d u a r ea n ds o f t w a r es 、髓e l n a n dc o n t r o lt i l eb l d c mb yt i l ec o l l t l o i $ 喊e m t h i sp a p e ri i , - s em a t l a bt ob u i l dt h ee n m l a ti o nm a t h e m a t i cm o d e lo fb l d c m a n d c o l l s t f t l c tt i l eb l d c mr e g ul a t i o ns 3 s t e l n a c c o i d r a gt ot i l ec o n t r o lt h e o d - o fs l i d i n g m o d eo b s e i w e r t i l es t a t o l l n a g n e t i cf i e k is h o u l di ) ev e ：i c a lw i t ht i l er o t o l m a g n e t i cf i e l d a 1 1 ( ib es ) a l c l u0 1 1 0 1 1 5w i t hr o t o rr o t a t i n g 、s ot i l e1 ) o s a t i o n0a l l ds p e e dl oo fb l d c mi s r e a l - t m l ee ：- ：t m l a t e da n dt i l ee s t u n a t e ( ip o a h o nl ：! ：i n o d f f l e ( ic o l l t i n u o u s l y , t h e o l e t i c a l a n a l x s wa n d 澍l l m l a t i o nr e m i t sm o wf l l a tt i l ep t o p o s e ds h a t t y h a ss t l 。o n g e t r o t m ：_ q n e s s a n ds a ti s f ac t o l - 、1 ) e l 如l l l l a l l c e ， k e v w o r d s ：b l d c m ：p o s l t l o l l - s e l l s o l l e s sc ：o n h 0 1 s h d m gm o d eo b s e a v e r , s p e e d c o n h o l 。d s p 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，也不包含为获得丕鲞盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 砂乏 字日期：加| 7 年 学位论文版权使用授权书 j 月y7 日 | 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂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： 砂丢 签字醐：肌7 日 导师签名： j 广 够翻 签字日期： o - 7 年f 月1 同 ， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 无刷直流电动机( b l d 州) 是电动机技术与电子技术相结合所产生的机电 一体化的新型直流电动机，是现代工业设备、现代科学技术中重要的机电元件 之一。与普通直流电动机相比，无刷直流电动机既保留了传统直流电动机的优 点，又拥有了许多新的特征，这使它更加适用于工业生产及自动化控制，所以 我们可以预料，在未来的几十年内，无刷直流电动机必将得到更加广泛的应用， 针对它自身结构的改进和控制方法的研究工作会更加的广泛和深入。 无刷直流电动机是在普通直流电动机的基础上发展起来的，早在十九世纪 四十年代，第一台直流电动机就被成功的研制出来，经过约七十年的不断改良 更新，直流电动机才趋于成熟。随着其用途的扩大，对直流电动机的要求也越 来越高。直流电动机的机械换向装置的先天缺陷限制了它在许多场合中的应用。 为了取代有刷直流电动机的电刷一换向器结构的机械接触装置，人们作了长期 的研究，因此，无刷直流电动机就应运而生了。 二十世纪五十年代中期，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了 用位置传感器和电子换向电路来代替有刷直流电动机的机械换向装置，六十年 代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传 感器相继问世。之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。现在比较常用 的利用霍尔元件实现换流的无刷直流电动机是在1 9 6 2 年研制成功的，七十年代 初期又研制成功了借助磁敏二极管实现换流的无刷直流电动机。 在研制各种类型的位置传感器的同时，人们还试图研制一种没有位置传感 器的无刷直流电动机，本文的研究控制对象就是这样的无刷直流电动机。这样 的无刷直流电动机具有更多的优点，我将会在后面的工作原理介绍中阐述这一 点。 目前中国电机产业的基本状况是产量大而技术含量低，行业整体开发水平 较国外差距更大，大量的企业基本没有独立开发能力，而是以仿制为主。整个 产业的产、学、研结合不理想，但成果商品化率低的状况依然存在，从而导致 技术含量高的产品进口数量远远大于出口数量。其根本原因在于创新的主体没 有转到企业上来。 虽然目前我国电机行业与国际水平还有一段差距，但是前景仍然十分广阔。 专家预计，实现未来5 年l o 年中，全行业产量、产值年增加速度不低于8 ， 因此加大对无刷直流电动机和其他微电机的投资和研究力度是十分必要的，改 天津大学硕士学位论文第一章绪论 善无刷直流电动机的技术性能，扩大它的应用领域，必将从根本上提高我国微 电机产业的技术层次。 1 1无刷直流电动机的结构特点及其应用 无刷直流电动机的最大特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触机构， 加上它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗，发热的电枢绕组又通常装在外 面的定子上，这样热阻较小，散热容易。所以，无刷直流电动机没有换向火花， 没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维护简便。此外它的转速不受机械换向 的限制，如采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的速度中 运行。 无刷直流电动机具有与普通有刷直流电动机相似的机械特性和必须有电子 换向电路，因为，与传统直流电动机相比它有如下优点： ( 1 ) 可靠性高，寿命长，工作时限主要取决于轴承和润滑，高性能电动机 的使用寿命可达数万小时。 ( 2 ) 不必经常维护。 ( 3 ) 无电气接触火花，安全、防爆性好，无线电干扰小。 ( 4 ) 机械噪声低。 ( 5 ) 可工作于高真空，有腐蚀性气体介质和液体介质环境中，例如宇航设 备。 ( 6 ) 可工作于高速或超高速。已有1 0 0 0 0 0 r m i n 产品。 ( 7 ) 绕组在定子上，易于散热，转子采用永磁体励磁，无通电绕组，几乎 无损耗和发热。 ( 8 ) 与电子电路结合，有更大的使用灵活性。例如：利用小功率逻辑控制 信号可控制电动机的起停，正反转或调节转速，适于数字控制，易于与微机接 口。正由于此，无刷直流电动机在工业和家用及国防等领域获得了广泛的应用。 由于无刷直流电动机具有上述一系列优点，因此它的用途远比有刷直流电 动机广泛，尤其适用于高级电子设备和一些空间技术、化工、采矿等特殊部门。 在航空航天领域，由于高真空，无刷直流电动机的优势是最明显的。如字宙飞 船中用的各种泵，使用了许多无刷电动机。由于无刷直流电动机彻底取消了机 械换向器和电刷，增加了它自身的可靠性和寿命，又保持了传统直流电动机调 速范围宽、起动力矩大、效率高等优点，因此在工业及日常生活中得到了广泛 的应用【z j 。 无刷直流电动机的结构如图l - 1 所示： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 轴承 图1 - 1 无刷直流电动机结构图 普通的无刷直流电动机由下列三大部分组成： ( 1 )电动机本体一一带有电枢绕组的定子和永磁转子； ( 2 ) 位置传感器； ( 3 ) 电子换向线路。 无刷直流电动机的定子是由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯 和绕组用的一些零部件、绝缘材料、导出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、 引出线及环氧树脂等。定子铁芯由硅钢片叠成，目的是为了减少定子的铁损耗。 定子绕组是电动机的一个重要部件，当电动机接上电源后，电流流入绕组产生 磁势，后者与转子产生的激磁磁场相互作用而产生电磁转矩。当电动机带着负 载转起来以后，便在绕组中产生反电势，吸收了一定的电功率并通过转子输出 一定的机械功率，。从而实现了将电能转化成机械能的过程。显然绕组在实现能 量的转换过程中起着极重要的作用。因此，对绕组的要求为：一方面它能通过 一定的电流，产生足够的磁势以得到足够的转矩；另一方面要求结构简单，运 行可靠，并应尽可能节约有色金属和绝缘材料。 无刷直流电动机的转子由永磁体、导磁体和支撑零部件三部分组成，永磁 体和导磁体是产生磁场的核心，是由永磁材料和导磁材料组成的。转子采用瓦 型磁钢，进行特殊的磁路设计，可以获得梯形波的磁场。 位置传感器的主要作用是检测转子的位置，因此它是无刷直流电动机的一 个极其重要的部件，可以分为接触式和无接触式两种。位置传感器使无刷直流 电动机的机构变得复杂，在强烈震动、高真空及腐蚀性介质中工作时动作不可 靠，不便于维修，无位置传感器的设计可以使无刷直流电动机弥补上述的不足。 电子换向线路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调，预放大，然后 去触发功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电，保证电动机的可靠运 天津大学硕士学位论文第一章绪论 行【3 1 1 4 1 。 1 2 目前的研究热点及存在的问题 随着科学技术的发展以及研究的不断深入，无刷直流电动机自身的结构设 计和材料运用越来越趋于成熟，目前无刷直流电动机方面的研究热点主要集中 在以下五个方面p j ： 1 脉动问题。 无刷直流电动机中，应该进一步改进的首先是转矩脉动。引起转矩脉动的 主要因素有：齿槽效应引起气隙合成磁场发生畸变，影响电磁转矩：绕组电感 的影响使得输入定子绕组的相电流不可能是理想的矩形波，使反电动势与理想 波形的偏差加大；相电流换向使得电枢磁场呈现步进性，导致气隙合成磁场波 动，影响电磁转矩的平稳；电枢反应影响气隙合成磁场，对于功率较大的无刷 直流电动机，电枢反应的影响更明显。从上述引起转矩脉动的主要因素可以看 出，转矩脉动的根本原因在于气隙合成磁场和定子绕组相电流的波动。因此要 减小转矩脉动，就应该采取措施保证气隙合成磁场和相电流的稳定。无刷直流 伺服电动机中存在的转矩脉动使得实现更精确的位置控制和更高性能的速度控 制难度很大，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动更为突出。 2 最佳换向 最佳换向是为了使无刷直流电动机的输出转矩最大，脉动最小，实现效率 最高的机电能量转换。最佳换向包括最佳换向逻辑和最佳换向位置两方面的含 义，前者解决如何换向的问题，后者解决什么时候换向的问题。在最佳换向逻 辑的研究中，大多是采用一套固定的有关转子位置信号和功率开关管的真值表， 而缺乏系统的概括性更强的理论研究。尽管在理想状态下的最佳换向位置已经 研究得较透彻，但是在电机实际工作过程中最佳换向位置的研究还不够，实际 运行的电机不同于理想电机，在理想电机中所忽略掉的次要因素实际上都会不 同程度地影响最佳换向位置。因此，这就要求研究和设计人员在无刷直流电机 实际工作过程中的最佳换向投入更多的精力。 3 无位置传感器的转子位置检测 较为成熟的无位置传感器位置信号检测方法主要有四类：反电动势法、续 流二极管法、电感法和状态观测法。其中“反电动势法 是最常见和应用最为 广泛的一种。无刷直流电动机的反电动势波形是一个很好的检测电动机转子磁 极位置的信号，因为它严格地反映了无刷直流电动机转子磁极的位置，因此， 检测电动机反电动势波形以确定电动机转子磁极的位置。因此，检测电动机反 电动势波形以确定电动机转子磁极的位置是比较常用的方法，所以就称为“反 天津大学硕士学位论文第一章绪论 电动势法。近年，随着单片机技术的发展，特别是数字信号处理器的应用和推 广，使得位置检测可以通过i c 芯片配合适当算法的软件而实现。采用d s t 以实 现无位置传感器的位置己成为研究热点和趋势。 4 控制算法 采用数字信号处理器的数字控制电路将是无刷直流电动机中控制系统设计 的发展方向。以d s p 芯片为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，它 还必须配合软件系统才能控制无刷直流电动机正常工作。这也为控制系统的设 计带来更大的灵活性。软件设计就必然涉及到控制算法的研究和应用。无刷直 流电动机中速度、电流控制必须由硬件系统配合具有正确控制算法的软件系统 才能得到良好的闭环控制效果。而不同的控制算法将会直接影响控制效果的好 坏。因此，研究先进的控制算法就成为设计无刷直流电动机控制系统的一个重 要方面。而过去难以在运算较慢的微处理器上实现的复杂的控制算法，现在则 可以借助d s p 实时高速的运算处理能力得以实现。所以，研究已经较成熟的复 杂控制算法在d s p 上的应用也是一个重要的方面。 5 抗干扰 电磁兼容在应用电子线路中已日益受到人们的重视。无刷直流电动机是一 种电子电机，同样有抗干扰和防止对外界干扰的要求。无刷直流电动机控制器 是强、弱电共存的电路，对于采用p w m 高频调制脉冲的控制器，高的调制频 率很容易对控制器其他线路产生干扰，必须认真处理其间的电磁干扰和电磁兼 容问题。另外还存在地线的干扰。尽管抗干扰对于无刷直流电动机的设计是相 当重要的，但却易被研究和设计人员所忽视，所以对无刷直流电动机的抗干扰 进行研究很有必要。 除了上述的五个主要问题外，在无刷直流电动机研究中诸如起动、绕组换 相对电流变化产生的电抗电势干扰等也值得做进一步的研究。这些问题都是相 互联系和相互影响的，其中任何一个问题的妥善解决，对改善和提高无刷直流 电机的性能，都是积极和有益的【6 j 【7 j 。 1 3 本课题研究的目的和意义 无刷直流电动机具有体积小、重量轻、运行效率高、可靠性好、调速性能 优良等特点，在伺服领域和高性能场合得到了广泛的应用，并逐步取代了传统 的直流电机和交流电动机。然而传统无刷直流电动机自身的结构在特定的场合 和应用中也存在着不足，比如电动机结构中被用于检测转子位置的传感器使电 动机自身的结构复杂、体积与重量增大、成本增加，同时也降低了可靠性，限 制了无刷直流电动机的应用，因此b l d c m 的无位置传感器设计及其控制成为 天津大学硕士学位论文第一章绪论 研究的热点问题【副例。 国外早在了o 年代末，就开始研究永磁同步电机的无位置传感器控制问题， 8 0 年代中期，日本学者提出了基于“反电动势”原理的、完全实用化的无刷直流 电动机无位置传感器控制方案。国内这方面的研究较晚，目前国内的微电机研 究水平只相当于国际9 0 年代水平，还有着比较大的差距。 目前无位置传感器控制的方法主要有反电动势过零检测法、电感检测法、 定子三相谐波相电压检测法、扩展卡尔曼滤波法等等【1 0 】【1 1 】。其中反电动势法过 零检测法是目前应用最多的一种方法它的基本原理是：永磁无刷直流电动机换 向时只需要转子的六个关键位置信息，转子旋转时定子绕组会感应反电势，反 电势的大小除了与电机参数有关外，其幅值主要与转子转速成正比，而相位与 转子位置有关。不考虑电枢反应影响的前提下，当某相绕组的反电势过零时， 转子直轴与定子该相绕组轴线重合( 同向或反向) ，因此转子位置可以通过定子 绕组中的反电势波形检测出来。这种方法原理简单、硬件易于实现，但在电机 运行于高速状态下时，过零检测对实时性要求比较高，从而对无源滤波器的相 频特性要求非常严格【l 引。 滑模观测器法是一种把变结构控制和状态观测器【1 3 】【1 4 】控制相结合的新的 控制方法，所谓的变结构是指在系统工作过程中，根据运行参数的变化使系统 中的环节之间的联结方式发生变化，或者某些极性发生变化。具有上述特征的 控制系统均可称为变结构控制系统。滑模变结构控制是一种非线性控制方法， 其对于系统的摄动、不确定性及外扰动具有完全的自适应性。它的根本思想是 反向控制，而反向控制独特的性能是强制性，所以变结构控制系统具有极强的 鲁棒性。滑模观测器的设计首先要求获取绕组电压和负载电流等变量，再利用 状态观测器所特定的算法预测电机转子的位置以及转速，依据整个调速系统的 特性设计滑模控制的切换函数和误差方程，使系统状态快速并稳定地进入滑模 面，最后采用p i d 滤波器滤除误差，从而比较准确的估算角速度和位置角。这 种控制方法的突出优点是对于加给系统的外来干扰和系统的摄动具有完全传统 的自适应性，对负载的变化响应速度快【1 5 - 2 1 。 1 4 本课题研究的主要内容 论文对滑模变结构理论进行了详细的研究，在理解滑模变结构理论模型的 基础上，把滑模变结构理论应用于永磁无刷直流电动机转速的估计中，对永磁 无刷直流电动机无位置传感器调速系统进行了深入的分析和研究，设计了硬件 电路，对整个控制系统作了大量的调试工作，编制了相应的程序，并用m a t l a b 软件对所提出的控制策略和控制系统进行了仿真研究。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 本文以永磁无刷直流电动机为被控对象，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理 器( d s p ) 为微处理器，采用滑模观测器来估计转子位置和速度信息，从而实 现速度、电流双闭环控制。课题的主要研究内容有以下几个方面： 1 深入研究了b l d c h i 的数学模型和滑模观测控制的基本原理和方法，并 建立了b l 心i 控制电路，用软件实现了p w m 波形的生成和电流电压的采样 和滑模观测器的设计。 2 以t l x , l s 3 2 0 l f 2 4 0 7 系列d s p 芯片为核心设计接口与控制电路，充分利 用d s p 芯片的高速特性，通过可直接测知的三相电流和电压来估算转子位置和 速度，并将估算位置和速度作为反馈信号，实现速度、电流的双闭环控制，保 证了控制过程满足实时性要求。 3 通过对永磁无刷直流电动机工作原理的深入分析，建立无刷直流电动机 的数学模型，设计滑模观测器及电流环、速度环控制器，对无刷直流电动机进 行无位置传感器控制，并采用m a t h b 软件中的s h n u l n 墩仿真器对系统进行了仿 真，并调试控制参数以得到比较满意的系统响应特性。 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电动机的基本工作原理及数学模型 第二章无刷直流电动机的基本工作原理及数学模型 2 1b l d c m 的结构 无刷直流电动机的结构原理如图2 1 所示。它主要由电动机本体( 主定子 和主转子) 、位置传感器和电子换向电路三大部分组成。需要指出的是本文所研 究的无刷直流电动机控制系统没有位置传感器。无论是否使用位置传感器，必 须获取电动机的转子位置信号，不过是采取的获取方式不一样而己。该结构原 理图中的“位置传感器”仅仅代表的是“获取转子位置信号”的含义，并不代 电动机 电子 换向电路 图2 - l无刷直流电动机的结构原理 表物理意义上的机械位置传感器的存在，图中使用“位置传感器 这一概念只 是为了说明问题的方便。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ， 转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p - 2 ，4 ，) 组成。图中的电动机本体为 三相两极。三相定子绕组分别与电子换向线路中对应的功率开关器件联接，在 图中a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管y 、k 、k 相接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场 相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成 电信号，来控制电子换向电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相 电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子换向线路的导通次序是 与转子转角同步的，因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。 因此所谓的无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一个由电子 换向电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同组成的系统。 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷直流电动机中所使用的永久磁钢的作用 相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于无刷直流电动 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的基本工作原理及数学模型 机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电动机的磁钢装在定子上。 无刷直流电动机电子换向线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺 序和时间的，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组 成。逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系 分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生连续不断的转矩。 而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转子位置信号。但 位置传感器所产生的信号一般不能直接用来驱动功率逻辑开关单元，往往需要 经过一定的逻辑处理和功率放大才能控制逻辑开关单元。 2 2b l i c m 的工作原理 一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用就是在电 动机的气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生磁场，由于电刷的换向作用， 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旋转。我们知道，有刷直流电动机电枢绕组中 感应的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。在电动机的情况下，换向器和电刷起着逆变 器的作用，它把电源的直流电逆变成交流电送入电枢绕组。反之，在直流发电 机的情况下，换向器和电刷起着整流器的作用，它把电枢中产生的交流电整流 为直流电输送到外面的负载上。有刷直流电动机的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，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，有刷直流电动机的 电刷起着电枢电流换向位置的检测作用。和无刷直流电动机相比，不难看出， 无刷直流电动机和有刷直流电动机一样，本身都是一台同步电动机，只是有刷 直流电动机中加的是一个机械的逆变器换向器和电刷，而无刷直流电动机中 则采用电子换向位置一电子逆变器代替机械换向器和电刷的作用。两者所起的 作用是完全相同的，都是为了实现直流电动机的正确换相。 无刷直流电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢 绕组放到定子上，把永磁磁钢放到转子上，这与有刷直流电动机的结构正好相 反。但仅是这样是不够的，因为用一般直流电源给定子上各项绕组供电，只能 产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生 单一方向的转矩来驱动转子转动。所以无刷直流电动机除了由定、转子组成电 动机本体外，还需要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成的换 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的基本工作原理及数学模型 向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的 转子磁钢产生的永久磁场在空间始终保持9 0 。左右的电角度。 为了更加清楚地阐述无刷直流电动机的工作原理和特点，下面以三相星型 绕组半控桥电路为例来加以简要说明。 1 三相星型半桥主电路 如图2 2 为三相无刷直流电动机星型半桥电路原理图。此处以三只功率晶 体管v 、k 、k 构成功率逻辑单元，采用光电器件：、碍、m 作为位置 传感器，以空间互差1 2 0 。的形式均匀分布。假设当直流电源接通后，缺口位置 刚好使光电元件受光而输出高电平，功率开关n 被触发导通，a 相绕组a 文 通电，形成位于a 相绕组轴线上的电枢磁势只。此时转子永磁磁势正好位于b 相绕组b b 平面上。由于电枢磁势在顺时针方向上领先转子永磁磁势l5 0 ，两 者相互作用产生驱动转矩，使转子顺时针旋转。当转子永磁磁势位于( ：相绕组 c c 平面上时，若仍保持a 相绕组通电，则电枢磁势领先转子永磁磁势的空间 角度将减为3 0 并继续减小，最终会使驱动转矩消失。但由于旋转圆盘同轴同 步旋转，此时正好使光电元件之受光，v e 被遮光，从而功率开关导通，v 关断，a 相发生换相。电枢磁势变为e ，它在旋转方向上又重新领先永磁磁势 1 5 0 0 ，这样就保证了电磁转矩的持续产生和电动机的持续旋转。 图2 _ 3 为开关顺序及定子磁场旋转示意图，图2 - 2 所示的转子位置和图 2 - 3 a 所示的位置相对应。 + 图2 2三相绕组无刷直流电动机 电动机 电子 换向电路 图2 - 3 开关顺序及定子磁场旋转示意图 由上面的分析可以看出，由于同轴安装的转子位置检测圆盘的作用，定子 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的基本工作原理及数学模型 各绕组在位置检测器的控制下依次馈电，其相电流为1 2 0 。宽的矩形波，但是， 由于发生了换相过程，定子绕组电枢磁场不是均匀旋转磁场而是跳跃式的步进 磁场，因此产生的电磁转矩存在很大的脉动，尤其在低速运行时会造成转速波 动。为解决这个问题，只有增加转子一周内的磁状态数，采用三相桥式的主电 路结构。 2 三相桥式主电路 假设三相桥式主电路的功率电子开关为标准三相桥式结构，上桥臂元件v 、 l 、u 给各相绕组提供正向电流，产生正向的电磁转矩；下桥臂元件、，4 、u 、 给各相绕组提供反向电流，产生反向的电磁转矩。这种电路的通电方式有二 二通电和三二通电两种。下面分别介绍： ( 1 ) 二二供电方式 + 图2 - 4 三相星型桥式接法的换流原理图 这种工作方式下，每一瞬间各有不同相的上、下桥譬元件导通，每个功率元件 导通1 2 0 。电角度，每隔6 0 。电角度换流一次，其功率元件的导通顺序为：、 巧；巧、巧； 、i ；鬈、埒；巧、； 【 _ ；、f ，；亩于每个刀颟弹 各导通1 2 0 。，每个相绕组又与两个开关元件相连，因此各相绕组会在正、反 两个方向均流过1 2 0 。宽的方波电流，三相绕组中的电流波形如图2 5 所示。 图1 - 5 两相通电方式下，三相星型桥式接法各相绕组电流波形 ( 2 ) 三二通电方式。每一瞬间均有不同相的三只功率开关元件导通，每个元 天津大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的基本工作原理及数学模型 件导通6 0 。电角度，各功率开关元件的导通顺序为：y 、k 、一；- 、k 、 ；丐、f ；、f ； ；、f ；、；0 、l c _ ；、 ；、巧；在三三通 电方式下，转矩是三个相绕组所产生的转矩的合成。例如、二、_ 导通时， 直流电流从y 引入a 相绕组，经b 、c 相绕组并联从、- 流出，使b 、c 相 电流为a 相电流的一半。经过6 0 。电角度后，电流从、：换流至k 。为了防止 同相上、下桥臂元件同时导通，造成短路，换流时必须确保先关断、l ，然后再 导通k 。、：、k 导通后，电流经、k 流入并联的a 、b 相绕组，再反向 流入c 相绕组，从、流出，以后的换流过程以次类推。 2 3b l d c 猢的数学模型 囊 = 蚕莠量 塞 + 墨篆乏l c j 杀l i 2 c j + 三三 c 2 - ， 式中：7 r 、名分别为三相绕组电流瞬时值；、e c 分别为三相绕组电 三相绕组的自感，k 、z 觑为两相绕组之间的互感，上茁、三翻、上船、三类 似，由于三项绕组对称，所以有z 他= 上翩、z 岔= z 翻、z b c = 上。 己一2l 暑2 c2 岛 ( 2 2 ) 二舶= z 且 = z 舡= l c a = 上b c = z 四= j ( 2 - 3 ) 天津大学硕士学位论文 第二章无刷直流电动机的基本工作原理及数学模型 1 薹 2 蚕三量 兰 + 蚕薹至 鲁 差 + 芝 c 2 - 6 ， 假设梯形反电势、t ，c 波顶宽度为1 2 0 。无位置传感器无刷直流电 电动机数学模型的相电流之差( - 石，c ，如- ) 和相间反电动势 【k = u b 一，【么= ( 0 一) 满足如下关系： f d , i _ 一k ， l j 厂 1 ic l ( i b 。7 c ， f新 l ! 丝：型 l 西 r i 4 r ， b r z 17 c tb 0 0 i dt l t i 岜肛十i ；a b 1 p b + 扣砧 上。 三国“+ 三u 翻 2 力矩平衡方程： 筹= t 一互一b 缈 8 ) 式中缈是电机转动角速度；b 为粘滞阻尼系数；d 为转动惯量；正为电磁转 矩；l 为负载转矩。 3 反电动势方程： 三。= ( j r o l o ) = 如 ( 2 - 9 ) 式中：冒m 为反电动势幅值：如= c 岳是反电动势常数；为电机转速( r i s ) 。 4 瞬时电流方程： 忽略逆变器功率管导通阻抗，假设梯形反电动势的幅值e 。为常数，a 、b 两相 同时导通时a 相电流方程 一= 生掣小f 脚川。e ，椰 ( 二1 0 ) 式中，r 2 为输入逆变器的直流电压，在电流上升阶段，有t 2 - ( 一t 名) ；l 。 天津大学硕士学位论文 第二章无刷互流电动机的基本工作原理及数学模型 为r - - o 时刻的线圈电流值。 公式( 2 1 ) 可以改写为下面的表示方式： r + 三+ r i s + 上鲁+ 厨c + 上百d i c + f c 在以后的章节中将利用这些公式进行推导，获得无刷直流电动机滑模观测 器的数学表达式。 天津大学硕士学位论文 第三章滑模状态观测器的设计 第三章滑模状态观测器的设计 3 1 滑模变结构控制的介绍 3 1 1 滑模变结构控制的发展历史和基本原理 变结构控制( v a r i a b l ea n i c t u r ec o n t l o l ，v s c ) 本质上是一类特殊的非线性 控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处 在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当时的状态 ( 如偏差及其各阶导数等) 有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态” 的状态轨迹运动，所以又称变结构控制为滑动模态控制( s l i d i n om o d ec o n t r o l ， s m c ) ，即滑模变结构控制。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无 关，这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统 在线辨识、物理实现简单等优点。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后， 难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产 生颤动。 变结构控制出现于2 0 世纪5 0 年代，经历了5 0 余年的发展，已经形成了一 个相对独立的研究分支，成为自动控制系统的一种设计方法，适用于线性与非 线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系 统、集中控制与分散控制等。并且在实际工程中逐渐得到推广应用，如电机与 电力系统控制、机器人控制、飞机控制、卫星姿态控制等。这种控制方法通过 控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动，使系统在受到参数摄动和外干扰时 具有不变性，正是这种特性使得变结构控制方法受到各国学者的重视。 变结构控制的发展过程大致可分为三个阶段。 ( 1 ) 1 9 5 7 1 9 6 2 年 此阶段为研究的初级阶段。前苏联的学者u t l d n 和e m e l 嘲l l o v 在2 0 世纪s o 年代提出了变结构控制的概念，其基本研究对象是二阶线性系统。 ( 2 ) 1 9 6 2 1 9 7 0 年 6 0 年代的学者开始针对高阶线性系统进行研究，但仍然限于单输入、单输 出系统。主要讨论了高阶线性系统在线性切换函数下控制受限与不受限及二次 型切换函数的情况。 ( 3 ) 1 9 7 0 年以后 在线性空间的基础上研究线性系统的变结构控制。主要结论为变结构控制 天津大学颐士学位论文 第三章滑模状态观测器的设计 对摄动及干扰具有不变性。1 9 7 7 年，v i i j t 发表了一篇有关变结构控制方面 的综述论文提出了滑模变结构控制v s c 和滑模控制s m c 的方法。此后，各国 学者对变结构控制的研究兴趣急剧上升，开始研究多维变结构系统和多维滑动 模态，对变结构控制系统的研究由规范空间扩展到更一般的状态空间。 k d y o u n z 等从工程的角度，对滑模控制进行了全面的分析，并对滑模控制所 产生的抖振进行了精确的分析和评估，针对连续系统中的抑制抖振给出了七种 解决方法，并针对离散系统在三神情况下的滑模设计进行了分析，为滑模控制 在工程上的应用提供了有益的指导。 对变结构控制的研究大多集中在滑动模态上，而对进入切换面之前的运动， 即正常的运动段研究较少。中国学者高为炳院士等首先提出了趋近律的概念， 列举了诸如等速趋近律、指数趋近律、幂次趋近律以及一般趋近律，高院士等 还首次提出了自由递阶的概念引。 在解决十分复杂的非线性系统的综合问题势，变结构系统理论作为一种综 合方法得到重视。但是滑模变结构对系统的参数摄动和外部干扰的不变性是以 控制量的高频抖振换取的，由于在实际应用中，这种高频抖振在理论上是无限 快的，没有任何执行机构能够实现；同时，这样的高频输入很容易激发系统的 末建模特性，从而影响系统的控制性能。因而抖振现象给变结构控制在实际系 统中的应用带来了困难。 由于人们认识到变结构系统中的滑动模态具有不变性，这种理想的鲁棒性 对工程应用也是很有吸引力的。高精度伺服系统存在着许多不利于控制系统设 计的因素，如非线性因素、外干扰及参数摄动等。由于离散滑模变结构控制自 身的缺点，将其直接应用到高精度的伺服系统中将会有一定的困难，因为控制 输出的高频抖振会损坏伺服系统中的电机和其他设备。要将离散滑模变结构控 制应用到伺服系统中，使其真正发挥它的强鲁棒性，必须对传统的离散滑模变 结构控制进行改进，并针对抖振现象改进离散滑模控制器，将有害的抖振减小 到一定程度，并且又要保证滑模控制的不变性。因此对传统的离散滑模变结构 控制的改进、抖振的削弱成为研究的重点【2 3 】【2 4 】。 滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。这种控制策略与常规 控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构 随时间变化的开 关特性。该控制特征可以迫使系统在一定特征下沿规定的状态轨迹作小幅度、 高频率的上下运动，即所谓的“滑动模态”或“滑模”运动。这种滑动模态是 可以设计的，且与系统的参数及扰动无关。这样，处于滑模运动中的系统就具 有很好的鲁棒性l z 引。 滑动模态控制的概念和特性如下： 天津大学项士学位论文第三章滑模状态观测器的设计 ( 1 ) 滑动模态定义及数学表达 考虑一般的情况，在系统 膏= f ( x ) 、r ” ( 3 - 1 ) 的状态空间中，有一个切换面，( - y ) = s ( x t ，y 2 ) = 0 ，它将状态空间分成上下 两部分”。0 及0 。在切换面上的运动点有三种情况，如图3 1 所示。 图3 - l 切换面上三种点的特性 通常点系统运动点运动到切换面s = 0 附近时，穿越此点而过( 点a ) ； 起始点系统运动点到达切换面s = 0 附近时，从切换面的两边离开该点 ( 点b ) ； 终止点系统运动点到达切换面s = 0 附近时，从切换面的两边趋向于该 点( 点c ) 。 在滑模变结构中，通常点与起始点无多大意义，而终止点却有特殊的含义。 因为如果在切换面上某一区域内所有的运动点都是终止点，则一旦运动点趋近 于该区域，就会被“吸引到该区域内运动。此时，称在切换面s = 0 上所有的 运动点都是终止点的区域为“滑动模态”区，或简称为“滑模 区。系统在滑 模区中的运动就叫做“滑模运动”。 按照滑动模态区上的运动点都必须是终止点这一要求，当运动点到达切换 面附近时，必有 ；limj 二o 及h mj 二二0( 3 2 ) 5 _ 0 +5 0 - 或者 i n ns 二。一