前馈控制的BLDCM滑模变结构调速系统 电工技术学报.pdf

2008 年8 月 电 工 技 术 学 报 Vol 23 No 8 第 23 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug 2008 基于前馈控制的 BLDCM 滑模变结构调速系统 汪俊杰 周 波 马长山 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 南京 210016 摘要 滑模控制能够有效地提高系统的鲁棒性 但为减小滑模控制系统抖振 引入等效控制 理论 在滑模控制器输出端串入一个积分器 导致系统的响应速度较慢 为了提高滑模控制器的 快速性 本文将滑模控制与前馈控制相结合 构成前馈滑模控制器 不仅补偿了控制器输出端积 分环节的影响 提高了系统的快速性和抗扰能力 而且保留了传统滑模控制简单 鲁棒性好等特 点 Matlab 仿真表明 新型滑模控制器控制下的无刷直流电机调速系统超调量小 鲁棒性好 速 度响应较快 文中还利用 DSP 来搭建实验平台 验证了控制器的有效性 关键词 无刷直流电机 滑模变结构控制 前馈控制 中图分类号 TM351 A Sliding Mode Controller for BLDCM Based on Feedforward Control Wang Junjie Zhou Bo Ma Changshan Nanjing University of Aeronautics Astronautics Nanjing 210016 China Abstract Conventional sliding mode controller can improve system robustness A integrator is employed to reduce system ripple in the sliding mode controller however the system dynamic response is decreased A new sliding mode controller composed of conventional sliding mode control and feedforward control is used in this paper The system velocity response is increased and its disturbance can be suppressed since the integral effect of the integrator is nearly counteracted And the new controller is as simple as the conventional one It can be seen from simulation that the overshoot of the new sliding mode controller is much less than the PI controller Comparing with conventional sliding mode controller the new controller has quick velocity response and good robustness A digital experimental test bed is built based on TMS320LF2407 DSP And the validity of the new controller is verified by experiment Keywords Brushless DC motor sliding mode control feedforward control 1 引言 永磁无刷直流电机 BLDCM 不仅结构简单 运行可靠 维护方便 而且具有较高的运行效率和 较好的调速性能 因此在工业领域中得到了广泛的 应用 由于无刷直流电机调速系统易受系统参数的变 化的影响 因此 难以采用 PID 方法实现高性能控 制 而模糊控制 自适应控制 神经网络控制复杂 实现繁琐 对硬件要求较高 为了对系统进行有效 的控制 减小控制难度 需要寻求一种新的控制方 法 诞生于 20 世纪 50 年代的滑模变结构控制 对 系统模型要求不高 且具有较强抗扰能力和自适应 性 相对于其他现代控制方法 滑模控制实现简单 对硬件要求较低 近年来 滑模控制的研究取得了 一定的进展 并在几种不同的电机控制系统中得到 了应用 文献 1 5 分别介绍了滑模控制在永磁同步 电机控制系统及开关磁阻电机调速系统中的应用 文献 6 10 分别介绍了应用于无刷直流电机控制系 统的滑模控制器 文献 6 研究了几种用于无刷直流 电机调速系统的滑模控制器结构 并对它们分别进 收稿日期 2007 06 09 改稿日期 2007 10 17 42 电 工 技 术 学 报 2008 年 8 月 行了仿真 文献 7 阐述了滑模控制在无位置传感器 无刷直流电机控制系统中的应用 文献 8 将模糊控 制与滑模控制相结合 有效减小了系统抖振 文 献 9 介绍了一种用于无刷直流电机控制系统的全 局滑模控制器 文献 10 在滑模控制中引入了一种 新型的转矩观测器 减小了控制系统的误差 但上 述文献中所设计的滑模控制器 大多控制较复杂 实时性有待改进 传统滑模控制器控制简单 但由于控制器输出 端的积分作用 响应速度较慢 为了改善系统的动 态响应 本文引入前馈环节改进了传统滑模控制器 即当系统转速误差大于一定值时 在传统滑模控制 器的输出中补偿关于滑模线 k 倍的积分项 k 0 当系统转速误差小于一定值时 控制器输出与传统 的相同 有效地提高了系统的快速性 该方法实现 简单 对硬件要求较低 通过仿真和实验 验证了 系统的控制性能 2 系统滑模控制器的设计 滑模控制器不仅控制方法简单 而且其设计也 较一般控制器方便 利用无刷直流电机数学模型 即可对无刷直流电机调速系统的滑模控制器进行设 计 令 x1 g m x2 m1 x 可得无刷直流电机 控制系统的系统状态方程为 11 t 22 0 01 00 xx i k xx J 1 式中 g 给定角速度 m 实际角速度 kt 电磁转矩常数 J 转动惯量 i 给定电流输出 根据比例切换控制律 令滑模控制器输出为 1 12 1 ixx 2 令滑模线 11 0scxx c 0 由滑模可达条 件 s s 0 得 11 1 11 00 00 sx sx 3 22 2 22 0 0 t t Jc sx k Jc sx k 4 则可得传统滑模控制器输出为 1 12 1 ixx 5 传统滑模控制器由于控制器输出端积分作用的影 响 系统响应较慢 为了提高滑模控制系统的快速性 将传统滑模控制结合前馈控制构成的新型控制器已在 开关磁阻电机调速系统中成功应用 3 本文将其引入到 无刷直流电机调速系统中 基于前馈控制的滑模控制 器输出如式 6 所示 式中 ks 为关于滑模线的前馈控 制环节 其作用是当转速误差高于一定值时 对控制 器输出进行补偿 以削弱控制器积分作用对系统快速 性所带来的影响 提高系统快速性 1 12 11 1 12 11 xxksxB i xxxB 6 3 前馈滑模控制与传统滑模控制的比较 由于传统滑模控制器与前馈滑模控制器在输出 方式上存在不同 因此 这两种控制器在控制效果 上存在差异 对于式 3 式 5 所描述的传统滑模控制 器控制下系统的滑模运动 系统初时时刻的状态处 于图 1a 中的 A 点 系统按相轨迹 AE 向滑模线运动 此过程对应时域图中电机的起动过程 即图 1b 中曲 线的 AE 段 电机转速快速上升 当系统轨迹越过 E 点时 控制器结构开始不断改变 系统在滑模控制 器的作用下开始沿着滑模线振荡着滑向系统相轨迹 原点 O 此过程系统转速按指数曲线的形式接近给 定转速 当到达 O 点时 电机转速跟踪到给定转速 其在转速波形上可表示为图 1b 中的 EO2段 最后 在相轨迹中 系统停留在 O 点作振荡 在时域中此 阶段为电机的稳态运行过程 即图 1b 中 O2之后的 转速曲线 此阶段电机转速维持在给定转速附近 并持续稳定运行 a 传统滑模控制系统相轨迹 b 传统滑模转速响应 第 23 卷第 8 期 汪俊杰等 基于前馈控制的 BLDCM 滑模变结构调速系统 43 c 前馈滑模控制系统相轨迹 d 前馈滑模转速响应 e 传统及前馈滑模控制 f 传统及前馈滑模控制 系统相轨迹对比 系统转速响应对比 图 1 滑模控制相轨迹与系统转速响应 Fig 1 Curves of sliding mode control in phase plane and the speed response 前馈滑模控制系统的相轨迹如图 1c 所示 在前馈 滑模控制系统中 当转速误差大于 B 时 前馈环节作 用于系统 系统在相平面内沿轨迹 AC 迅速运动 当滑 过 C 点后 系统转速误差小于 B 前馈作用撤消 系 统沿轨迹 CD 滑向 D 点 并在 D 点开始进入滑模态 直至滑到 O 点并停留在 O 点作振荡 同样 前馈滑模 控制相轨迹中的轨迹 ACD 段 在时域中是电机转速快 速上升的过程 即图 1d 中的轨迹 ACD 与传统滑模控 制相比 在 AC 段内时 由于前馈环节的补偿作用 电 机的转速变化率较大 电机转速上升较快 即图 1d 中 的 AC 段 当过 C 点后 电机转速误差小于 B 前馈作 用撤消 由于撤去前馈作用后 电机仍保持了较大的 速度变化率 所以电机转速上升仍比较快 即图 1d 中 的 CD 段 而当系统在 DO 段轨迹中运行时 系统进入 滑模态运动 电机转速按指数曲线的形式缓慢趋向给 定转速 即图 1d 中的 DO1段 传统滑模控制器与前馈滑模控制器在相平面 上对比如图 1e 所示 在时域上对比如图 1f 所示 其中实线为传统滑模控制器 虚线为前馈滑模控 制器控制 由图 1e 可知 系统在两种滑模控制器 分别作用下 在 E 点之前 前馈滑模控制器控制 下的电机具有较大的转速变化率 因此 E 点之前 的运动 前馈滑模控制器控制下的系统所耗时间 较短 而在 E 点之后 两种滑模控制器控制下的 系统均已进入滑模运动 两者运动轨迹近似相同 所以两者在此过程中所耗时间基本相等 因此 前馈滑模控制器控制下的系统响应时间较短 具 有较好的快速性 4 仿真研究 本系统采用 Matlab 6 5 进行建模与仿真 系统 控制框图如图 2 所示 滑模控制器部分的仿真结构 如图 3 所示 其中图 3a 为传统滑模控制器 图 3b 为前馈滑模控制器 图中点划线框所示部分为前馈 控制环节 图 2 系统控制框图 Fig 2 Block diagram of the speed control system a 传统滑模控制器 b 前馈滑模控制器 图 3 滑模控制器结构图 Fig 3 Diagram of sliding mode controller 图 4a 与 4b 为前馈滑模控制器与传统 PI 控制器 44 电 工 技 术 学 报 2008 年 8 月 控制下的系统在不同给定转速下的速度响应对比仿 真曲线 通过系统速度响应仿真可知 前馈滑模控 制器与传统的 PI 控制器相比 在系统响应上具有较 小的超调量 这说明本文所设计的前馈滑模控制器 具有较好的抑制超调的能力 图 4c 和 4d 为在给定转速不同时前馈滑模控 制器与传统滑模控制器控制下的系统速度响应对 比仿真曲线 通过该组曲线对比 可以发现 前 馈滑模控制器在响应速度上比传统滑模控制器 快 a PI 及前馈滑模速度响应波形 n 300r min b PI 及前馈滑模速度响应波形 n 1000r min c 传统及前馈滑模速度响应波形 n 300r min d 传统及前馈滑模速度响应波形波形 n 1000r min 图 4 不同控制器控制下系统在不同转速下 速度响应仿真曲线 Fig 4 Simulation of different controllers for different speeds 为了验证前馈滑模控制器所具有的良好的鲁棒 性 在仿真中通过在电机各相上串联一个 0 25 的 电阻 使系统的相电阻由 1 4 改变为 1 65 并进 行速度响应仿真实验 如图 5 所示 a R 1 65 n 300r min b R 1 65 n 1000r min 图 5 不同转速下相电阻改变后前馈滑模控制 速度响应波形 Fig 5 Simulation of feedforward sliding mode controller for different resistance R 1 65 由图 5 可知 在电机相电阻改变的情况下 转 第 23 卷第 8 期 汪俊杰等 基于前馈控制的 BLDCM 滑模变结构调速系统 45 速响应曲线无明显变化 这表明前馈滑模控制器对 系统参数变化不敏感 具有较好的鲁棒性 5 实验研究 本文采用 TMS320LF2407A DSP 芯片作为核心构 建实验平台 并进行电动实验 实验结果如图 6 所示 通过实验可知 PI 控制器控制下的系统 在速 度响应上存在一定的超调 而传统滑模控制器和前 馈滑模控制器控制下的系统略有超调 从图 6 中可 以看出 PI 系统的调节时间在给定转速为 300r min 时为 600ms 在给定转速1000r min 时为 760ms 传 统滑模在给定转速 300r min 时为 800ms 在给定 a PI 控制 给定转速 300r min b PI 控制 n 1000r min c 传统滑模控制 n 300r min d 传统滑模控制 n 1000r min e 前馈滑模控制 n 300r min f 前馈滑模控制 n 1000r min 图 6 系统转速响应波形 Fig 6 The speed response curve 转速 1000r min 时为 1 5s 而前馈滑模控制器的调节 时间在给定转速为 300r min 时为 400ms 在给定转 速为 1000r min 时为 650ms 可见 与传统滑模控制 相比 前馈滑模控制器的响应速度更快 本文通过在电机三相绕组中分别串接 250m 的电阻来进行改变电机相电阻的速度响应实验 其 实验结果如图 7 所示 当电机各相串入电阻后 电 机的参数发生变化 但由于前馈滑模控制对系统参 数变化不敏感 前馈滑模控器的控制效果基本不受 电机参数变化的影响 因此 前馈滑模控制下的电 机在串入电阻前后的转速波形无明显变化 系统具 有较好的鲁棒性 46 电 工 技 术 学 报 2008 年 8 月 a R 1 65 n 300r min b R 1 65 n 1000r min 图 7 相电阻改变下前馈滑模控制系统转速响应波形 Fig 7 Speed response curves of feedforward sliding mode controller for different resistance 6 结论 本文通过引入前馈控制 补偿了传统滑模控制器 积分环节对 BLDCM 系统动态特性的影响 设计了用 于 BLDCM 调速系统的前馈滑模速度调节器 该调节 器不仅能够较好地抑制系统超调 具有较好的鲁棒性 而且响应速度快 实现简单 对系统硬件要求较低 仿真及实验均验证了该控制器的控制效果 参考文献 1 马义方 蔡际令 汪雄海 伺服系统的自适应模糊 滑模最优控制研究 J 浙江大学学报 2006 40 6 1032 1035 Ma Yifang Cai Jiling Wang Xionghai Research on a daptive fuzzle sliding optimization control of servo system J Journal of Zhejiang University 2006 40 6 1032 1035 2 李 君 李 毓洲 无 速 度 传 感 器 永 磁 同 步 电机的 SVM DTC 控制 J 中国电机工程学报 2007 27 3 28 33 Li Jun Li Yuzhou Speed sensorless SVM DTC for permanent magnet synchronous motors J Proceedings of the CSEE 2007 27 3 28 33 3 Tzh Shien Chuang Charles Pollock Robust speed control of a switched reluctance vector drive 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