无刷直流电机模糊PID调速控制

 2022-01-17 11:01

论文总字数:19635字

目 录

1 绪论 5

1.1 课题研究的背景与意义 5

1.2 无刷直流电机的发展历程和优点 5

1.3 转矩脉动 6

1.4 无刷直流电机的先进控制策略 7

1.5 本文主要内容以及具体的结构安排 7

2 无刷直流电机的工作原理和数学模型 8

2.1 无刷直流电机的一般结构 8

2.1.1 无刷直流电机本体 8

2.1.2 位置传感器 9

2.1.3 控制电路 9

2.2 无刷直流电机的工作原理 10

2.3 无刷直流电机的数学模型 10

2.4 本章小结 11

3 无刷直流电机的控制策略 11

3.1 PID控制 12

3.2模糊控制 12

3.2.1 模糊控制的一般性介绍 12

3.2.2 模糊控制的原理 13

3.2.3 模糊控制器的设计 13

3.3 本章小结 14

4 无刷直流电机的仿真 15

4.1 模糊PID控制器的设计 15

4.2 无刷直流电机调速系统仿真总体思路 17

4.3 无刷直流电机调速系统仿真模型 18

4.3.1电机模型 18

4.3.2 检测和换相电路模型 18

4.3.3 控制器模型 20

4.4 仿真结果与分析 22

4.5本章小结 24

5 总结,展望 25

5.1 工作总结 25

5.2 后续工作 25

参考文献 26

致谢 27

1 绪论

本章首先对无刷直流电机的现实意义和发展历程作简要的介绍,并和初代直流电机进行了对比,初步地介绍主要问题之一–––转矩脉动以及转矩脉动抑制的策略,说到了无刷直流电机调速控制器,最后列出了本文的大体架构和具体的章节安排。

1.1 课题研究的背景与意义

自从第二次工业革命以来,人们和电,与产生电,使用电的电机就密不可分。可以说,现今的社会维系和发展需要大量能源的支撑,而电就是人类利用大自然力量的载体。其中,电动机作为机电转换装置,其作用也显而易见。它大致分为异步电机,同步电机,直流电机,特种电机等。其中的直流电机相比于交流电机,有较好的调速性能,较高的运行效率,在对调速性能和控制精度要求较高的工业生产中得到了广泛应用。

不过呢,传统的直流电机有电刷,且采用机械换相方式,因而存在机械摩擦,并由此带来了火花、噪声、无线电干扰等一系列问题;再加上结构复杂、维修困难、制造成本高及寿命短等缺点,从而限制了它的应用。

1.2 无刷直流电机的发展历程和优点

20世纪10年代,美国发明家发明了可以控制栅极的水银整流器,然后通过一系列实验实现了DC/AC的逆变器件。在接近20世纪20年代时,Bolgior惊奇地发现可以用整流管代替集电环,这意味着无刷直流电机的基本思想萌芽长出来了。但是,由于时代的局限性,电力电子技术也仅仅进入初步阶段,合适的器件的缺乏,使得这种可靠性差,效率低的电机只能停留在实验室的地板上,无法再普及下去,从当时的情况看,使用的直流电机依然是有刷的直流电机。1955年,美国 D.Harrison等从事电力电子技术的科学家首次申请了基于晶体管的整流/逆变器替代传统的集电环的专利,这意味着现代无刷电机从此刻诞生。其主要原理在于当Rotor运作时,会在定子侧,转子侧感应出电势,从而实现换流;但是,这里存在一个问题:该电机在转子不动时,信号不产生电势,因此晶体管自身消耗功率较大,而且无启动转矩。为了克服新事物下跟随而来的问题,人们采用了许多方式来应对措施,比如利用理论力学当中的离心原理,让换相器配备离心装置,或者在Stator上装置助力器件。而后,为了更好地解决上述问题,在20世纪60年代,在无刷直流电机上面配备了磁敏式元件进行换相又创造出了一个新高峰。20世纪70年代德国一家公司在汉若威贸易展览会上推出了MAC无刷直流电机及驱动系统,标志着无刷直流电机正式踏入实用阶段。20世纪80年代H.R.Bofton完整地总结“方波型”,指出了无刷电机在当前实施的方法和未来方向,在理论上已经显示了方波型电机的优越性,逐渐走向成熟。在接近千禧之年的时刻,DSP,FPGA,GPLD等等中央处理器快速发展,加上先进算法的层出不穷,现在的无刷直流电动机系统己经成为机电一体化产品,它包含电机分支学、电力电子技术、现代测量技术、嵌入式技术等等,从实际工程上面,汲取了丰富的优秀的成果。

无刷直流电机跟传统直流电机相比较有以下优点:

主要是转子的磁铁为永磁材质,无电刷和集电环,具有由开关时间很短的电力电子器件的换向电路。所以它效率高,无刷直流电机继承了传统直流电机启动力矩较大、具有充分的调速范围,增大磁能转换效率;所以它无需励磁,借助于电机主体中的永磁体所生成的磁场,为机电的相互转换提供所需的能量;所以它体积小、重量轻。目前仅仅增加了位置传感器,等到无位置传感器BLDCM成熟时,体积将进一步缩小。所以它噪声小。由晶体管搭建的换相电路取代了机械电刷,进而没有了机械电刷进行机械换相时所产生的噪声。使用寿命长,易于维护。由电力电子器件搭建的换相电路可靠性高,维修或替换器件较为方便;所以它控制方便。转矩跟相应的电流成正比关系,并且拥有较简单的反馈装置,控制易于实现,很多厂家研制出了适合直流无刷电机控制的集成芯片。因为这些优点而广泛的得到应用,不过应用的同时也暴露出了直流无刷电机控制系统的不足:转矩脉动问题。

1.3 转矩脉动

当理想条件下,直流无刷电机正常运行时输出的转矩数值是恒定不变的,也就不会产生转矩脉动。但是由于电机的生产工艺和电力电子器件不理想化,导致实际情况下偏离电枢绕组反电动势为规则的梯形波、电机定子电流为严格的矩形波这种情况,使电机产生转矩脉动。依据引发直流无刷电机转矩脉动的根源,可分为以下三类:齿槽转矩脉动,电磁转矩脉动,换相转矩脉动。前两种主要是和电机本身的机械结构有关,比如齿槽的均匀度,气隙磁通的不均匀分布致使电流和电压不同步,导致波形发生畸变。主要的应对方法只有提高电机出厂时的理想度,精确度,强化生产工艺,从机械结构上去入手。

而第三种转矩脉动––换向转矩脉动,也是由于电机的自身属性(感抗),致使换向时无法像奇异函数那样,以极高的抖度发生突变,因此电流的波形也就不可能是完整的矩形波。换句话说,以原来固有的换向模式,必定会出现不小的转矩脉动,那么,假如通过改变到新的控制策略,就可以减弱或者消除这种脉动。

发展至今约有二三十年,转矩脉动产生的波形畸变,不平稳性和不小的噪声,严重印象了高制造产业的发展,但还无法完全消除。国内外各个相关领域的学者都致力于解决这个问题。目前主要方法2种,从电机的电磁结构本体入手,有斜槽法、减小槽口宽度法、斜极法、分数槽法、磁性槽楔法、调整磁极位置法、改变极弧度法和辅助槽法等。这些方法在一定程度上降低了转矩脉动,但是没有根本消除。其冲斜槽法和分数槽法的抑制效果较好;第二种是从控制策略入手,结合驱动电路与先进的处理器,提出了重叠换相法,PWM调制法,电流预测控制法,转矩观测器法,滞环电流法,直接转矩控制法,矢量法等,因此转矩脉动的抑制或消除成为了国内外广大研究工作者的重要课题。不过这里还有一个重要的方法,就是利用先进的控制策略,建立无刷直流电机关联的控制器。

1.4 无刷直流电机的先进控制策略

传统的PID控制

作为从自控原理发展以来一直运用的控制策略,它的地位不言而喻。在线性时不变系统或者可以近似看成线性状态的系统中,具有很强的控制优势。P(proportion)用来提高系统的稳定性,减小稳态误差,调节零极点;I(integration)用来改变控制系统的型号,通过反馈不断给现时刻加载从0到上时刻的值,它可以用来消除稳态误差。D(differentiation)用于提前获取反馈信息,缩短控制时间,提高反馈效率。

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