摘要：無刷直流電機具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機那樣良好的調(diào)速性能而無機械換向器等優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用。針對大多數(shù)無刷直流電機位置伺服系統(tǒng)采用的是PID控制方式，此控制方式存在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或帶有非線性負載時，其穩(wěn)態(tài)輸出特性變差，難以獲得滿意的控制效果的情況，本文在分析無刷直流電機的模型后，提出一種能根據(jù)跟蹤誤差大小，利用模式切換開關(guān)自動切換到PID控制或滑模變結(jié)構(gòu)控制的智能控制方法，從而實現(xiàn)無刷直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快響應(yīng)、低超調(diào)和高精度控制。
關(guān)鍵詞：直流電機：PID控制；模型；智能控制
O 引 言
電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，逐漸形成了由無刷結(jié)構(gòu)代替有刷結(jié)構(gòu)、南數(shù)字控制代替模擬控制的局面一因永磁無刷直流電機具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機那樣良好的淵速性能而無機械換向器等優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用，在伺服控制、家用電器、計算機外設(shè)等方面獲得r廣泛的應(yīng)用，在船艦推動、電動汽車以及工業(yè)拖動中具有很好的應(yīng)用前景。但南于實際的無刷直流電機控制系統(tǒng)都存在著不同程度的非線性、時變性、換向效應(yīng)、參數(shù)變化等不確定性，是一個多變量系統(tǒng)，影響了伺服系統(tǒng)的性能，降低了系統(tǒng)的精度。因此，采用PID控制器在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或帶有：非線性負載時，其穩(wěn)態(tài)輸出特性變差，難以獲得滿意的控制效果，從而限制了無刷直流電機的使用范圍，因此本文提出將滑模變結(jié)構(gòu)控制與PID控制棚結(jié)合的一種無刷直流電機智能控制器，滑模變結(jié)構(gòu)控制器在系統(tǒng)參數(shù)變化大和各種非線性擾動強的情況下作用，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的魯棒性；而PID控制器則用以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，提高控制精度。 這種控制策略能有效的抑制轉(zhuǎn)矩波動，實現(xiàn)無刷直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快響應(yīng)、低超調(diào)和高精度控制。
1無刷直流電機的模型
無刷直流電機主要由電機本體，位置傳感器和電了換向線路(逆變器)等組成，采用稀土永磁瓦形磁鋼并合理設(shè)計磁路，根據(jù)反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號，通過驅(qū)動電路，驅(qū)動逆變電路的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依一定順序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進式旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)了位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實現(xiàn)無刷直流電動機的機電能量轉(zhuǎn)換，可以得到近似方波或梯形波的氣隙磁場，定子則由逆變器提供交流方波電流。
假設(shè)：三相繞組完全對稱，定子繞組為60。相帶整距繞組，星形連接，氣隙磁場為理想方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響；電樞繞組在定子內(nèi)表而均勻連續(xù)分布。
2 無刷直流電機的智能控制與仿真分析
進入70年代，開始研究狀態(tài)空間線性系統(tǒng)，使得變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計思想得到了不斷豐富，并提出了多種變結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，由于滑動模態(tài)可以進行設(shè)計且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辯識，物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，因而帶滑動模態(tài)的變結(jié)構(gòu)控制被認為是最有發(fā)展前途。滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定”滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于電子換向線路(逆變器)是電力電子開關(guān)器件的變流器，而這些開關(guān)器件的動作具有不連續(xù)性，是一個天然的變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中滑動模運動具有不變性，即它和系統(tǒng)的攝動性與外干擾無關(guān)，因此滑模變結(jié)構(gòu)控制非常適合于在無刷直流電機的控制應(yīng)用。
對于本系統(tǒng)中控制器不僅僅只在跟蹤誤差大于環(huán)寬時才工作，當(dāng)跟蹤誤差小于環(huán)寬時，系統(tǒng)的跟蹤誤差小，滑模變結(jié)構(gòu)控制器的控制作用很小，基本不對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這時系統(tǒng)運行所需的控制作用肩用PID控制算法，PID控制器無超調(diào)、快響應(yīng)的特點能有效抑制跟蹤誤差；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動時，跟蹤誤差突然變大超過環(huán)寬，模式切換開關(guān)迅速將控制方式切換到滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其作用使跟蹤誤差迅速減小，隨著誤差的減小到環(huán)寬范圍，再切到PID控制器實現(xiàn)轉(zhuǎn)速高精度控制。
3結(jié)語
本文分析了無刷直流電機的模型，提出一種智能控制方法，該方法根據(jù)跟蹤誤差大小，利用模式切換開關(guān)自動切換到PID控制或滑模變結(jié)構(gòu)控制的工作方式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的快速穩(wěn)速。仿真和實驗結(jié)果驗證了該方法性能優(yōu)良，具有快速收斂性和高穩(wěn)速精度，能夠滿足無刷直流電機的控制需求。 |
