陳鵬展，劉 曦

(華東交通大學，南昌 330013)

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基于模型切換策略的無刷直流電動機調(diào)速研究

陳鵬展，劉 曦

(華東交通大學，南昌 330013)

提出了一類基于模型切換策略的無刷電機寬范圍調(diào)速方法，根據(jù)電機特性給電機速度目標值定義高/低速運行區(qū)間，當電機在低速區(qū)運行時，采用積分分離PID控制策略；電機在高速區(qū)運行，采用增量式PID控制策略，結(jié)合預先設定的速度過渡區(qū)，通過滯后切換實現(xiàn)控制模型轉(zhuǎn)換。實驗表明，提出的模型切換控制策略在低速和高速運行區(qū)域均能實現(xiàn)無刷直流電動機精確速度閉環(huán)控制，且模型間切換控制過程穩(wěn)定，實現(xiàn)了無刷直流電動機的寬范圍調(diào)速。

無刷直流電動機；多模型控制；滯后切換；寬范圍調(diào)速

0 引 言

隨著無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)在工業(yè)自動化、汽車、家電領域的廣泛應用，BLDCM的控制策略已成為業(yè)內(nèi)研究的熱點。各類應用場合對BLDCM的系統(tǒng)性能要求越來越高，單一模型的控制策略已無法滿足被控對象的穩(wěn)定性、準確性、快速性要求。繼而，多模型控制策略受到廣泛的關注與研究[1-5]。傳統(tǒng)電機控制策略多為單一PID控制，面對現(xiàn)代復雜系統(tǒng)，此類控制策略已無法滿足業(yè)內(nèi)需求。

多模型控制策略可根據(jù)對象參數(shù)的變化建立多個控制模型，通過改變控制策略，逼近復雜系統(tǒng)的動態(tài)特性，這樣使得系統(tǒng)整體性能滿足控制需求。

在電機調(diào)速過程中，系統(tǒng)參數(shù)會發(fā)生變化，為提高電機的控制性能，現(xiàn)將多模型控制策略應用于無刷直流電動機控制系統(tǒng)。本文將對基于多模型切換控制策略的BLDCM寬范圍調(diào)速進行研究。

1 模型切換控制原理

1.1 低速積分分離PID控制

針對電機特性，電機在低速啟動、運行時由于系統(tǒng)有慣性和滯后，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都會較大。為使BLDCM閉環(huán)系統(tǒng)在低速時獲得最大低速調(diào)速范圍，需盡量減小超調(diào)量，避免由于電機在閉環(huán)PID調(diào)節(jié)中PWM輸出控制響應過慢而使電機停機。

低速積分分離PID控制能減小超調(diào)量，有效增大低速調(diào)速范圍，積分分離PID控制算法如下[6]：

(1)

(2)

當|error(k)|>ε時，采用PD控制，避免產(chǎn)生過大超調(diào)，系統(tǒng)響應較快。

當error(k)|≤ε時，采用PID控制，以保證系統(tǒng)控制精度。

式中:T為采樣時間，β為積分開關系數(shù)。

1.2 高速增量式PID控制

由于增量式PID算法不需累加，控制增量僅與最近采樣點有關，誤動作時影響較小。在電動機處于高速運行區(qū)時，采用增量式PID控制，能有效保證BLDCM處于高速運行區(qū)的調(diào)速閉環(huán)響應。增量式PID控制算法如下[6],根據(jù)遞推原理可得：

(3)

則增量式PID控制算法：

(4)

Δu(k)=kp[error(k)-error(k-1)]+kierror(k)+

(5)

1.3 BLDCM多模型協(xié)同閉環(huán)系統(tǒng)

多模型切換控制[7]為多模型控制的主要控制策略。多模型切換控制的核心在于切換邏輯，切換邏輯的優(yōu)劣決定著控制系統(tǒng)性能的好壞，主要切換邏輯有：狀態(tài)切換[8]、滯留時間切換[9]、滯后切換[10]?；贐LDCM控制系統(tǒng)的特性，將采用滯后切換方式實現(xiàn)電機低速/高速控制模型的切換。通過傳統(tǒng)BLDCM單一PID控制性能測試，結(jié)合控制系統(tǒng)反饋的性能指標，將電機轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min定義為低速運行區(qū)域；電機轉(zhuǎn)速位于1 000 r/min至1 200 r/min之間定義為切換過渡區(qū)；電機轉(zhuǎn)速高于1 200 r/min 定義為高速運行區(qū)。

最初采用在低速和高速直接設定一個限定速度作為控制方式的切換點,但實驗測試點切換控制方式時，如果調(diào)速過快，電動機容易出現(xiàn)速度跳變、系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象?？紤]此點，本文為提高系統(tǒng)在控制方式切換時的穩(wěn)定性，將在控制方式切換時設置過渡區(qū)進行滯后切換。模型切換控制策略示意圖如圖1所示。

圖1 控制策略示意圖

根據(jù)圖1模型切換控制策略示意圖，當系統(tǒng)由低速控制方式切換至高速控制方式時，在過渡區(qū)采用低速控制方式；當系統(tǒng)由高速控制方式切換至低速控制方式時，在過渡區(qū)采用高速控制方式,在本控制系統(tǒng)中設定v1為1 000 r/min,v2為1 200 r/min。

根據(jù)BLDCM調(diào)速過程中不同轉(zhuǎn)速階段，將BLDCM調(diào)速過程分為低速運行區(qū)和高速運行區(qū),分別建立相應控制模型，實現(xiàn)BLDCM多模型切換控制[11]。低速運行區(qū)域，應用積分分離PID控制策略；高速運行區(qū)域，應用增量式PID控制策略。則BLDCM模型切換控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 BLDCM模型切換控制系統(tǒng)框圖

2 模型切換策略平臺構(gòu)建

實驗平臺采用STM32F103RBT6作為控制系統(tǒng)主芯片，MOSFET驅(qū)動電路采用N+N結(jié)構(gòu)，以IR2101作為MOSFET驅(qū)動芯片。以42BLF02 BLDCM作為被控對象。電子換向采用“二相導通星形三相六狀態(tài)”方式[12]。BLDCM控制系統(tǒng)等效框圖如圖3所示。

圖3 BLDCM控制系統(tǒng)等效框圖

圖4為實驗平臺，直流穩(wěn)壓電源為BLDCM驅(qū)動板提供24 V直流電壓，上位機通過JTAG仿真器與BLDCM驅(qū)動板實現(xiàn)通信，BLDCM驅(qū)動板在霍爾傳感器的基礎上實現(xiàn)對電機的驅(qū)動與電機轉(zhuǎn)速的計算， FT232RL將電機轉(zhuǎn)速實時傳遞給上位機，上位機在LabVIEW中對電機轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)控。通過轉(zhuǎn)速表測量電機轉(zhuǎn)速，對比監(jiān)控數(shù)據(jù)，校驗上位機數(shù)據(jù)的準確性。

圖4 實驗平臺

3 BLDCM控制性能測試

針對本實驗平臺，電動機閉環(huán)速度最低250 r/min,最高轉(zhuǎn)速4 200 r/min。為了驗證本文中基于多模型滯后切換BLDCM控制系統(tǒng)的性能，在實驗平臺上調(diào)速測試。實驗過程中的數(shù)據(jù)采樣周期為15 ms。

圖5、圖6為控制系統(tǒng)在80 Hz斜坡信號下多模型滯后切換控制。圖5為電機在80 Hz頻率斜坡信號下，BLDCM控制系統(tǒng)通過滯后切換實現(xiàn)低速區(qū)至高速區(qū)切換；圖6為電機在80 Hz頻率斜坡信號下BLDCM控制系統(tǒng)通過滯后切換實現(xiàn)高速區(qū)至低速區(qū)切換。系統(tǒng)穩(wěn)定、無抖動。

圖5 滯后切換80 Hz斜坡信號控制系統(tǒng)測試 (低速切換至高速)

圖6 滯后切換80 Hz斜坡信號控制系統(tǒng)測試 (高速切換至低速)

圖7為多模型點切換控制電機頻率響應。由圖可見，控制系統(tǒng)執(zhí)行點切換時，系統(tǒng)出現(xiàn)抖動、電機速度跳變、系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，表明本文提出的多模型切換控制策略的有效性。

圖7 點切換80 Hz斜坡信號控制系統(tǒng)測試

圖8 為BLDCM控制系統(tǒng)低速外界擾動測試。由測試結(jié)果可見，在外界擾動情況下系統(tǒng)能快速通過閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，回歸穩(wěn)態(tài)設定速度；在外界擾動消失后，閉環(huán)系統(tǒng)能快速回歸穩(wěn)態(tài)設定速度。表明本文提出的多模型協(xié)同控制系統(tǒng)在低速運行時具有良好的抗外界擾動性能。

圖8 BLDCM控制系統(tǒng)低速外界擾動測試

圖9為圖8所示低速外界擾動誤差曲線，如圖所示，控制系統(tǒng)對低速運行時外界擾動調(diào)節(jié)性能良好，最大超調(diào)量在20%以下。

圖10為BLDCM控制系統(tǒng)高速外界擾動測試。由測試結(jié)果可見，在外界擾動情況下系統(tǒng)能快速通過閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，回歸穩(wěn)態(tài)設定速度；在外界擾動消失后，閉環(huán)系統(tǒng)能快速回歸穩(wěn)態(tài)設定速度。表明本文提出的多模型協(xié)同控制系統(tǒng)在高速運行時具有良好的抗外界擾動性能。

圖9 低速擾動誤差曲線

圖10 BLDCM控制系統(tǒng)高速外界擾動測試

圖11為圖10所示高速外界擾動誤差曲線，如圖所示，控制系統(tǒng)對高速運行時外界擾動調(diào)節(jié)性能良好，最大超調(diào)量在15%以下。

圖11 高速擾動誤差曲線

圖12為高速啟動電機轉(zhuǎn)速響應曲線，在實驗中，設置1 600 r/min高速啟動，曲線表明， 45個采樣點系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)，調(diào)整時間為0.675 s。說明本BLDCM控制系統(tǒng)具有良好的高速啟動特性。

圖12 高速啟動特性

圖13為低速啟動電機轉(zhuǎn)速響應曲線，在實驗中，設置500 r/min低速啟動，實驗數(shù)據(jù)表明， 80個采樣點后達到穩(wěn)態(tài)，調(diào)整時間為1.2 s。說明本BLDCM控制系統(tǒng)具有良好的低速啟動特性。

圖13 低速啟動特性

4 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)BLDCM調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎上，提出多模型切換控制策略，實現(xiàn)了BLDCM寬范圍調(diào)速。根據(jù)實驗結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

(1)文中提出BLDCM低速/高速分區(qū)調(diào)速控制，通過滯后切換邏輯實現(xiàn)低速/高速控制策略柔性轉(zhuǎn)換，避免了常見多模型切換控制過程中出現(xiàn)的控制系統(tǒng)抖動、崩潰等現(xiàn)象。

(2)本文提出的BLDCM控制系統(tǒng)在低速運行、高速運行過程中，均具有良好的抗擾動性能，證明了多模型控制策略的穩(wěn)定性。

(3)文中提出的多模型控制策略，可保證BLDCM控制系統(tǒng)的整個速度運行區(qū)間內(nèi)均能保持良好的準確性,實現(xiàn)電機寬范圍閉環(huán)控制。

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Research on Speed Control of Brushless DC Motor Based on Model Switching Strategy

CHENPeng-zhan,LIUXi

(East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

A wide range speed adjustment method of brushless DC motor based on model switching strategy was proposed. According to the motor characteristics the high/low speed operating range was defined for a target value of motor speed, using integral separation PID control strategy when the motor running in low speed region and using the incremental PID control strategy when the motor in high speed. Combined with the preset speed transition region, t he control model was transformed by hysteresis switching. Experimental results show that the proposed model switching control strategy in the region of the low-speed and high-speed operation can achieve precise speed closed-loop control of brushless DC motor, wide speed range, and stable model switching.

brushless DC motor; multi-model coordinated control; hysteresis switching;wide speed control

2015-10-02

國家自然科學基金項目(61164011)；江西省自然科學基金項目(20114BAB201023);江西省研究生創(chuàng)新專項基金項目(YC2014-X006)；江西省博士后科研擇優(yōu)項目

TM33

A

1004-7018(2016)07-0056-03

陳鵬展(1975-)，男，博士，副教授，研究方向為智能化自動化裝置及汽車電子控制、現(xiàn)場總線控制及網(wǎng)絡控制。