王 琳 肖 軍 劉洲洲

（1.西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院 西安 710077）（2.西安航空學(xué)院計算機學(xué)院 西安 710077）

1 引言

無刷直流電機以其結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，電磁噪聲低等優(yōu)點，在現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表和高級家用電器中起到了不可取代的地位。

高精度運動控制系統(tǒng)一般都會使用到電機，電機的魯棒性對控制系統(tǒng)的影響很大。因此，電機的魯棒性是衡量運動系統(tǒng)性能的重要指標［1］。

目前，運動控制系統(tǒng)的速度環(huán)主要采用PI控制器，雖然該控制器可以獲得較好的動態(tài)響應(yīng)能力，但PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定困難，增益系數(shù)對電機的參數(shù)、轉(zhuǎn)速和負載變化敏感，魯棒性差。當負載擾動時，速度環(huán)輸出信號產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)［2～4］。此外，滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等是一種針對非線性系統(tǒng)控制策略，具有良好的魯棒性，得到了廣泛的應(yīng)用［5～6］。

本文在無刷直流電機的速度環(huán)內(nèi)引入IP制器。它的傳遞函數(shù)上少了微分項，因此IP速度控制器可以有效減小速度輸出量超調(diào)幅度，當系統(tǒng)負載擾動時，速度超調(diào)過程明顯減小，理論分析及仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)速度環(huán)的抗干擾能力提高了。

2 無刷直流電動機控制

普通的無刷直流電機采用三相電壓型逆變器供電，其定子繞組為星型接法，如圖1所示，其中A、B、C分別代表定子三相繞組。

圖1 三相逆變橋

無刷直流電機的繞組反電動勢為梯形波，電流也為方波；逆變器的開關(guān)管每60°電角度需換相一次，一個周期內(nèi)換相六次，即需要六個換相信號。每一區(qū)間的電角度為60°，六個區(qū)間為一次電氣旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，箭頭顯示了每一個工作狀態(tài)中電流流過電機繞組的方向，且在任意一個狀態(tài)下只有兩相繞組工作。

圖2 六步換向電流流向

3 無刷直流電機IP速度控制策略

對于無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的速度環(huán)控制系統(tǒng)，如圖3所示。電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，其中Gc(s)為控制器傳遞函數(shù)表示為，β(s)為電流環(huán)反饋回路傳遞函數(shù)。

圖3 傳統(tǒng)PI速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

速度環(huán)的傳遞函數(shù)為

速度環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分子中存在較大的微分項，提高了系統(tǒng)的頻帶寬度，但卻降低了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，因此當以階躍輸入為速度參考值時，速度環(huán)輸出值的速度超調(diào)較大。系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)定性完全由PI調(diào)節(jié)器參數(shù)決定。如果把電機轉(zhuǎn)速輸出直接以反饋形式引入到輸入端，反饋通道的補償器與電機構(gòu)成并聯(lián)形式，這種控制結(jié)構(gòu)稱為IP控制方式。如圖4所示。

圖4 IP速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

相對于PI控制策略的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，IP控制策略的閉環(huán)傳遞函數(shù)具有相同的特征方程，但是閉環(huán)傳遞函數(shù)分子中少了1.5KtGc()s Kps項，有效地抑制了速度環(huán)輸出值的電流沖擊和超調(diào)量。但在相同的控制參數(shù)條件下，IP控制策略系統(tǒng)的頻帶寬度變窄，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力變差。為了克服減少微分項帶來的頻帶寬度變窄的問題，可以通過增大積分器增益的措施來提高速度環(huán)的動態(tài)響應(yīng)能力，因此需要增加比例Kp的增益。

假設(shè)電流環(huán)實現(xiàn)完全跟蹤，即

4 仿真分析

利用Matlab進行仿真。為了驗證文中提出的無刷直流電機調(diào)速策略的有效性，仿真所采用的電機參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速為2000r/min；額定功率為1.5kW；交直軸電感為5.33mH；永磁磁鏈為0.182Wb；轉(zhuǎn)動慣量為0.0025kg/m2；電樞電阻為0.024Ω。

速度環(huán)PI控制參數(shù)與IP控制參數(shù)相同的條件下，圖5（a）為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，由IP控制器的速度環(huán)沒有速度超調(diào)過程且魯棒性更強，但動態(tài)響應(yīng)能力較差。根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線圖5（b）可知，PI控制器具有更寬的響應(yīng)帶寬。

圖5 IP速度調(diào)節(jié)器與PI速度調(diào)節(jié)器性能

不同比例增益下的IP速度調(diào)節(jié)器性能曲線，如圖6所示，在單位階躍輸入條件下，PI控制器比例增益增大五倍，速度響應(yīng)曲線斜率增大，響應(yīng)速度明顯提高，即增大比例增益時速度環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力增強。根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可知增大IP控制器比例增益可以提高系統(tǒng)響應(yīng)帶寬，而穩(wěn)定裕度變換很小，保留了原系統(tǒng)的魯棒性。

圖6 不同比例增益下的IP速度調(diào)節(jié)器性能曲線

5 結(jié)語

本文從理論和仿真兩個方面分析和研究了永磁同步電機，提出了初始位置檢測的方法，該方法利用普通編碼器U、V、W進行檢測，克服了需要額外的硬件或依賴電機參數(shù)等缺點，是一種魯棒性較好的方法。通過Matlab仿真該方法進行驗證，結(jié)果表明電機轉(zhuǎn)子在檢測過程中不發(fā)生移動，滿足永磁同步電機可靠、平穩(wěn)起動的要求。