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永磁无刷直流电机滑模变结构控制

刘均华  
【摘要】: 永磁无刷直流电机(BLDCM)既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电机的运行效率高、调速性能好等诸多特点,所以在工业领域有了日益广泛的应用。控制策略的优劣对电机的性能影响很大,许多学者针对永磁无刷直流电机设计了很多的控制系统,并且取得了很好的控制效果。 因为永磁无刷直流电机是一种多变量、非线性的系统,得到准确的数学模型比较困难。经典的PID控制需要精确的电机模型,所以难以对电机进行精确的控制。现代控制理论如模型参考自适应控制、模糊控制和神经网络控制可以有效地提高电机的运行性能。但是,模型参考自适应控制对负载的快速变化特别敏感;在模糊控制中,由于复杂模糊规则的相互作用,使得到的合成推理算法具有相当程度的非线性性能,致使模糊控制效果不够理想;而神经网络控制器因需要不断学习来调整参数,所以需要速度很快的微处理器,硬件实现比较困难。基于以上原因,本文引入了滑模变结构控制器和扩张状态观测器。 滑模变结构控制器有对摄动的完全自适应性等优点,可以用它来实现对电机速度、位置、电流的控制,也可以用来设计系统的状态观测器,而且硬件实现与智能控制相比比较简单。扩张状态观测器是一种性能良好的观测器,它不仅能得到不确定对象的状态,还能获得对象模型中内扰和外扰的实时控制量。把这个控制量补偿到控制系统中,能取得很好的控制效果。本文根据永磁无刷直流电机的数学模型和滑模变结构控制的特点,把换相引起的相电流变化当作外界对电机的干扰,建立了一个模型。根据此模型,构造了滑模变结构控制器,运用其对各种扰动不敏感的特性来抑制各种干扰对电机的影响。电机的负载转矩用扩张状态观测器来准确估计,所以把它当作一个已知扰动来控制,这样增加了系统的控制精度。MATLAB仿真表明,与经典PID控制器相比,用滑模变结构控制器控制永磁无刷直流电机,超调量小,速度响应快,而且速度响应受电机参数变化影响小,对各种外界干扰也得到了很好的抑制。最后,用TMS320LF2407A DSP与FPGA来搭建硬件电路,对永磁无刷直流电机的速度控制做了一定的研究。


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