基于新型预测控制的直流电机调速应用研究

论文总字数：18774字

目 录

摘要 3

1.绪论 5

1.1 选题背景及意义 6

1.2 无刷直流电机的发展 7

1.3 预测控制的发展现状 8

2.无刷直流电动机控制系统及调速方法 9

2.1无刷直流电机的基本组成 9

2.2无刷直流电机的工作原理 10

2.3无刷直流电机的几种调速方式 11

3.无刷直流电机调速控制策略 12

3.1 概述 12

3.1.1 PID算法 12

3.1.2 传统PID控制算法 12

3.1.3 PI控制算法 14

3.2 预测函数算法 14

3.2.1预测函数控制 15

3.3 PI型预测函数算法 16

4.Matlab/Simulink仿真 18

4.1三种控制算法转速图 18

4. 2三种控制算法电流电压图 19

4.3三种控制算法电机转矩图 21

5.总结与展望 23

致谢 24

参考文献 25

基于新型预测控制的直流电机调速应用研究

刘方舟

，China

Abstract：Brushless DC motor has a simple structure, strong high efficiency and reliability, which are its benefits, and has been widely shipped to various types of industrial, aerospace industry, and many other business areas. We are familiar with the brushless DC motor having a multi-variable, strong coupling, nonlinear, time-varying features and many of the traditional control method is very dependent on the mathematical model of the problem brushless DC motor designed in this paper based on the new predictive functional control brushless application of DC motor speed.

  Fast system more consistent with the needs of today's society on the system, and predictive functional control (PFC) algorithm just to meet this characteristic, and become the mainstream of predictive control method, which is based on the principle of the development of predictive control. Which are applied to the prediction function is also a simple design, easy to master the use of the majority of researchers function. This function is only low accuracy of the model parameters can be used at the same time, the algorithm is simple, fast track, with high precision and less calculation, so after all, a simple and effective functions. . This article new predictive control and traditional PI control combine to deduce PI Predictive functional control algorithm, which give full play to the predictive functional control and PI control their own advantages, the effect of the whole control system has greatly improved role. The PI predictive functional control algorithm in Matlab in simulation and analysis, the results showed that its system of controlled system has good characteristics.

Keywords: Motor speed；Predictive Control；PFC Control；PI Control; PIPFC Control.

1.绪论

1.1 选题背景及意义

直流电机虽然拥有较好的机调速性和械特性，但其采取电刷和换向器来转变方向。因为电刷和换向器在较长时间持续摩擦接触会造成电刷持续损耗，将会改变接触电阻，更有可能造成电火花等较危险问题，除此以外，直流电机制作成本较为昂贵，后期保养也必将繁琐耗时。这些因素严重制约直流电机的进一步应用与发展。

为适应新的需求和发展，无刷直流电机开始走向历史舞台。无刷直流电机第一次亮相是在 1955 年，为了替代有刷直流电机中的接触式机械换相装置，来自美国的D. Harrison 等采用了人用晶体管换相电路^[1]；等到了二十世纪七十年代，P.H.Trickey 和T.G.Wilson做出了使无刷直流电机真正问世的成就——提出“固态换相直流电机”。在无刷直流电机的进步过程中缺少不了诸如永磁材料、MOSFET、GTR等发展，这些材料所制作出的突破传统的电机，其不但延续了直流电机转变速度选择余地大、开始发动转矩幅度大、调解电路复杂度低等优势，而且拥有着占用空间小、使用时间长、运作效率高等长处。当前无刷直流电机正被普遍采用在家用电器、运输交通、伺服控制、以及工业自动化等各类领域。

PID控制经常被传统的电机转速控制所使用，作为工业领域把控调度中应用最普遍并且最老道的控制之一，PID控制的方法便捷，计算量不多，调节参数多样，对被控对象的数学模型没有要求，在长期的使用与总结过程中已有大量的调节参数的经验可供参考。但是作为被控系统的没有刷非直流电动机具有紧密影响与配合性强、与线性无关、变量多等特点，随着工业自动化的发展对控制系统的要求不断提高，想要满足无刷直流电机控制系统的较高性能要求，PID控制己经显得尤为吃力。为解决性能要求较高这些难题，当前有很多专家提出了对无刷直流电机控制采取某些最优控制、智能控制编入其中，本文提供了无刷直流电机预测函数转速控制算法，预测函数控制利用无刷直流电机的电压转速模型来对未来输出进行预测，非线下利用性能运算数值在系统当前状态采样并计算找出最为合理完善的控制量。由于预测函数控制的参数与工程联系的之间的相关性不够贴紧，预测模型的对系统的控制能力不能达到理想的效果，据此要将预测函数与PI融为一体取之精华，用以对预测函数进一步升级改造，更加方便对工程的应用。

1.2无刷直流电机的发展

说到无刷直流电机发展不得不提及Boliger，他在1917年首次将电刷用整流管作为一种新型的电动部件，而不再选用有刷直流电动机的机械电刷，于是出现了永磁无刷直流电机发展思路。不到20年，便开始研发制造以电子换向来矜代以电刷机械换向的流无刷电动机，成果斐然。但是因为早期的大功率电了元器件发展还不成熟，使得这种以电子换向的电动机只能停留在研发阶段，而没有办法做更深一步的实际应用。由联邦德国Malinesmalm公司hidrarnat分部联合研制的一种新型电动机——MAC经典永久磁性无刷直流电动机及其驱动系统于1978年在德国的汉诺威贸易展览会上展出。而反观国内，直到上世纪八十年代才幵始开展无刷直流电机相关研究。1987年，SIEMENS和BOSCH两公司在北京举办的联邦德国金屈加工设备展览会上同时推现出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起国内相关专家的重视。目前我国通过不断的技术探索、研发和学习，已经具备研制相当一部分小功率无刷直流电动机的系列产品的能力，并正在不断加大生产规模。当前，在制定了通用规范GJB1863的基础上我国的无刷流电机控制技术发展日趋成熟，但与日本和美国相比还有较大差距，在民用方面日本较为强劲，而在军功方面美国更是地位无可撼动。有三个方面是当今社会对无刷直流电机科研的重点：先进控制策略的研究、驱动控制技术、无位置传感器控制技术，本文主要重点针对先进控制策略的研究

无刷直流电机与有刷直流电机最大的区别就是无刷直流电机用电子刷代替了机械刷，原因是为了去去完成换相操作,这样不会产生器材磨失减少，也不会因电刷相互之间的作用产生种种消耗，能够稳步运作,同时它没有抛弃先前有刷直流电动机的一些调整把控的特点，相比改变频率控制的同步电机的特征方法,无刷直流电机没有那么复杂的控制结构。相比应用在工程环境与非同步电机,无刷直流电机具备同步旋转的转子磁场和一样同时发生旋转的定子磁场,所以损耗近乎为零,让电机的运行进一步升级快捷。除此以外，无刷直流电机具有较大的输出转矩、较小的空间占有量和压力值,同时具有较高的产能比、较小的转动惯量、能有效减少对铜和数铁硼等有色金属材料的使用量,对减少成本贡献显著。以上所举均为无刷直流电机控制系统的优势所在^[2]。综上,伴随着各式理论、材料、技术的飞速发展,直流电机的转换方向调控正在由开始的器械工具手段向现今无刷直流电机的微电子换相器和新型优化材料转变，并且这种推动力量也在反作用着电机理论与电子电力技术、计算机技术以及高品质材料不断进步和发展。

1.3预测控制的发展现状

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