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无刷直流电机的控制策略与仿人智能系统设计

作者:音曼顿 浏览: 发表时间:2022-05-17 09:45:01



无刷直流电机由电机主体和驱动器组成,是典型的机电一体化产品。无刷电机是指无刷电机和换向器(或集电环)电机,也称为无换向器电机。早在19世纪电机诞生时,实用电机就是无刷电机,即交流鼠笼异步电机,得到了广泛的应用。然而,异步电机存在许多不可克服的缺陷,导致电机技术发展缓慢。晶体管诞生于上世纪中叶,使用晶体管换向电路代替刷子和换向器的直流无刷电机出现在历史时刻。这种新型的无刷电机被称为电子换向直流电机,它克服了第一代无刷电机的缺陷。



无刷直流电机的控制策略


一般自同步无刷直流电机逆变器和驱动结构图如图1所示。图中显示的驱动系统通常用于电压源逆变器(VSI)。电压源逆变器对应于电流源逆变器(CSI)。VSI由于其成本、重量、动态性能和易于控制,被广泛使用CSI。由于两种逆变器的重量和成本差异VSI采用电容器进行直流耦合,而CSI整流器和逆变器之间必须有笨重的电抗器。VSI在动态响应能力和动态响应能力方面CSI不同。因为大电抗器的作用是满足CSI作为恒流源换向重叠角的较大需要,防止电机绕组中电流的快速变化,抑制电机的高速伺服运行。这将增加驱动系统中阻尼器的尺寸。CSI恒流控制和恒转矩控制的预期性能是VSI也可通过其内部电流控制环中滞后电流控制近似获得。


术语自同步是指驱动电路对即时转子位置信息的要求,以满足定子相电流脉冲与电机相反电位一致所需的正确管导顺序。



无刷直流电机的经典位置和速度控制方案的方框图。如果您只期望速度控制,您可以删除位置控制器和位置反馈电路。通常需要高性能位置控制器中的位置和速度传感器。如果只有位置传感器而没有速度传感器,则需要检测位置信号的差异,导致模拟系统中的噪声放大;这不是数字系统中的问题。对于位置和速度控制的无刷直流电机,必须使用位置传感器或其他获取转子位置信息的元件。



许多高性能的应用程序还需要电流反馈来进行扭矩控制。至少,需要电流反馈来防止电机和驱动系统过流。当添加一个内部电流闭环控制时,无需直流耦合电抗器即可实现非常快的电流源逆变器性能,称为电流调节电压源逆变器。驱动中的直流电压调节也可以通过作用类似于直流电源的可控整流器来实现,也可以通过变换器来实现PWM上下开关也可以同时添加信号,也可以通过只添加上下开关来实现。


无刷直流电机仿人智能系统设计


无刷直流电机(BLDC)它是一种多变量和非线性系统。它用电子换向器代替机械刷和机械换向器。因此,该电机不仅保留了直流电机的优点,而且具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点,一旦出现,就能以极快的速度发展和普及。在分析无刷直流电机数学模型的基础上,建立了基于仿人智能控制的双闭环控制系统。速度环采用基于速度特征状态的仿人智能控制算法,电流环采用传统PI控制算法。


在Matlab基于仿人智能控制的无刷直流电机双闭环系统模拟模型建立在平台上,包括仿人智能速度控制器模块PI电流控制器模块、替换逻辑模块、电流采样模块和电机本体模块。通过在线调整、模拟和与其他控制算法相比,模拟实验结果表明,模拟智能控制具有更好的移动和静态性能。


随着控制精度和控制系统稳态动态性能要求的提高,无刷直流电机采用PID控制器通常很难满足系统的性能要求。国内外许多学者在研究无刷直流电机的各种智能控制算法方面取得了一定的成果。然而,无刷直流电机的各种智能控制算法仍存在控制算法复杂、参数优化等问题。


仿人智能控制是一种直接测量、总结和总结人类控制经验、技能和各种直觉推理逻辑的控制算法,并将其编制成简单、高精度、实时运行的控制算法。仿人智能控制方法具有多模态、多控制器的结构。无刷直流电机的控制可以更好地解决控制器结构复杂、调整困难、响应缓慢、不利于在线实现等问题。


无刷直流电机的反电动势是 120°梯形波,电流为方波,工作在两相导通星形三相六状态。设计的无刷直流电机控制系统为双闭环控制系统。



该系统能达到无刷直流电机转速输出值稳定、快速、准确的控制效果。


控制系统设置速度和电流控制器,实现串联连接。速度控制器采用基于速度特征状态的多模态控制结构的仿人智能控制器,提高了系统的抗负载扰动能力,保证了系统的静态和动态跟踪性能,保证了控制系统的鲁棒性。


速度控制器是双闭环调速系统的主导控制器,可以快速跟随给定随给定的电压变化,并在稳定状态下减少速度误差。速度控制器的性能直接影响到整个控制系统的控制效果。本文设计的双闭环控制系统采用模拟智能控制器,具有基于速度特构的仿人智能控制器,提高了系统的抗负载扰动能力,保证了系统的静态和动态跟踪性能,保证了控制系统的鲁棒性。


电流控制器作为内环控制器,在外环速度控制器的调节过程中,其作用是使电流紧跟外环控制器的输出变化,确保电机允许的最大电流,从而加快系统的动态过程。本文设计的双闭环系统的主要目标是调整速度。在速度控制器准确控制速度的条件下,应尽量减少电流控制器算法的复杂性,以降低实时控制系统中控制器的难度,确保控制的实时性。


一般来说,调速系统的要求主要是动态稳定性和稳态精度,对快速性的要求可能较差,主要采用PI控制器;快速性是随动系统的主要性能要求,必须使用PD或是PID控制器。电流控制器采用以上两点,降低了算法的复杂性和控制目标特性PI控制器。PI电流控制器能使系统稳定,并具有足够的稳定裕度来满足稳态性能指标,表现出电流无稳态误差的特点。


控制系统设置了两个控制器:速度和电流,该控制器实现串联连接。控制过程为:将设定的速度值与转子位置传感器检测到的信号计算的电机实际速度值进行比较,并通过速度控制器调整输出电流给定值。检测到的实际电流值与电流给定值进行比较,通过电流控制器输出获得供电电机的电压。采用这种速度和电流双闭环控制方法,可以充分发挥电流截止负反馈和速度负反馈的作用。从静态特性的角度来看,单独的负电流反馈有软化静态特性的趋势,但外环有负速反馈。当速度控制器不饱和(如稳定运行)时,负电流反馈产生的速度可能会下降,完全被速度控制器的作用所消除。


由于速度控制器采用基于特征模型的多模态控制结构的模拟智能控制,整个系统将是一个无稳定误差的速度调节系统。从动态响应过程来看,在突然设定速度或启动过程中,速度控制器很快达到饱和,只有电流环工作。在最大电流限制下,系统在大速偏差下实现最短时间控制策略,使速度逐渐稳定。速度和电流双闭环控制系统在突然给定的临时过程中表现为恒电流调节系统,在稳定时表现为无稳定误差的调速系统,具有良好的运动和静态质量。


环境建模的整体控制框图主要包括:无刷直流电机本体模块、仿人智能速度控制器模块、PI 电流控制器模块、换相逻辑模块、电压逆变器模块、电流采样模块等。Matlab的S本文设计的仿人智能控制器多控制器、多模态结构已成功实现函数实现。

为了验证系统的性能,我们进行了以下两个模拟实验:


1. 调速试验

首先,系统空载启动,设置转速1000rpm,达到稳定状态后,0.2s 调整转速2000rpm。模拟实验获得的扭矩波形和速度响应的模拟曲线如图所示3-4所示。


2. 负载变换试验

系统空载启动,将转速设置为 1000rpm,进入稳态后, 0.1s 加载 TL=0.03Nm。转矩波形和转速响应曲线的模拟曲线如图 5-6 所示。


空载运行时,相电流达到最大值,达到最大启动扭矩,在短时间内进入稳态。反电势波形的平顶部分约为 120度,系统上升时间理想tr超调量 小系统稳定性好,调整时间 ts也很短。稳态运行时速度无稳态误差,符合理论分析。0.1s 加载时TL =0.03Nm,此时,由于电流的增加,相电流的增加可以增加电磁扭矩,拖动外部负载,反电动势幅值略有增加。



结论与小结

1. 设计了基于无刷直流电机的仿人智能控制算法MATLAB该平台建立了无刷直流电机的模拟控制系统。

2. 通过速度调节模拟实验,可以看出设计的无刷直流电机模拟智能双闭环控制系统具有良好的运动和静态特性。通过研究变换负载模拟实验中的相电流、相反电势、扭矩波形和速度响应曲线,可以看出,设计的无刷直流电机模拟智能双闭环控制系统可以充分抑制外部干扰。

3. 仿真结果表明,无刷直流电机仿人智能控制系统响应速度快,抗干扰能力强,实用价值强。


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