基于DSP的无刷直流电动机控制系统研究6351(2)

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节能性：无刷直流电机效率高。无论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能源都具有重要的社会和经济效益。据报道，美国５５％以上的电力消耗在电动机运行上。美国ＧＥ公司曾预测，仅在制冷器具的应用中，若用无刷电机取代传统异步电动机，其效率就可提高２０％，全美国一年就可节电２．２Ｍｋｗｈ。异步电动机运行在轻载时功率因素低，线路和网络的损耗大，根据有关报道，我国消耗在电动机上的电力占整个系统总量的６５％以上。因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。我国人口众多，经济正高速发展，电力资源匾乏，更要重视节约能源，研制和开发高效、节能、低耗的现代调速系统。相对于其他类型的电机，无刷直流电机的损耗最小、效率最高。曾有一份资料作过对比分析，７．５ｋｗ的异步电动机系统效率为８６．４％，但是同样容量的无刷直流电机的效率则可以达到９２．４％ｔ４１。

环境适应性：对于高性能的系统，如果只能采用直流电机，同时要求寿命长、免维护以及能在防暴、易燃的环境条件下使用，有刷直流电机就无能为力了，而无刷直流电动机则是最好的选择。

永磁电机由于转子的几何形状不同，使得转子磁场在空间上分为正弦波和梯形波两种，转子旋转在定子上产生的反电势也分为两种：正弦波和梯形波。习惯上把反电势为正弦波的永磁同步电机称为正弦型永磁同步电机（ＰＭＳＭ），而把反电势为梯形波的永磁同步电机称为永磁无刷直流电机（ＢＬＤＣＭ）或方波电机。采用ＳＰＷＭ或滞环控制的Ｊ下弦型永磁同步电机，需要提供连续的转子位置信号，由于转矩波动小，因此往往多用于高性能的伺服系统。只需提供几个关键离散信号的永磁无刷直流电机，相对于正弦波永磁同步电动机的正弦波驱动来讲，在相同的条件下逆变器获取方波要比正弦波容易得多，再加上其控制也比正弦波永磁同步机简单，因此无刷直流电动机更赢得了人们的广泛关注【５Ｊ。

在控制方法上，目前，无刷直流电机的理论分析和设计方法已经比较成熟，它的进一步应用主要是控制算法方面的问题。对于无刷直流电机这种非线性、强耦合的系统，传统的ＰＩＤ控制算法很难满足其控制的精确性和快速性。近年来，先进控制理论及控制技术的逐渐成熟，使其在电机控制领域获得了广泛的应用，并取得了良好的控制效果。

随着电力电子技术，微电子技术，新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁无刷直流电动机因其体积小，性能好，结构简单，可靠性高，输出转矩大等特点，受到了广泛关注，得以迅速推广。

现代控制理论的发展和应用促使许多新型交流伺服电机控制方法诞生，随着永磁无刷直流电机应用领域的不断拓宽，对电机控制系统设计要求越来越高，既要考虑成本低廉，控制算法合理，又须兼顾控制性能好，开发周期短。因此对无刷直流电动机控制系统的研究具有重要的应用价值和理论意义【６Ｊ。

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１．２无刷直流电动机控制技术研究现状及发展方向

１．２．１研究现状

无刷直流电机优异的性能、低廉的成本以及简便的控制方法，人们对其研究不断深入，焦点主要集中在如下几个领域：

１．控制方法

根据自动控制理论，高质量的控制系统必须为带有负反馈的闭环系统。控制精度、稳定性和抗干扰能力是衡量系统整体性能高低的重要因素，而使系统有较高的控制精度和稳定性，较强的抗干扰能力，采用合适的控制方法至关重要。随着直流电动机的不断发展，性能的不断提高，需要配合更先进的控制算法来构成高性能的控制系统。同时，传统的控制器已经无法满足这种日益提高的对控制精度的要求【７捌，而智能控制理论近年来发展迅速，这些理论的共同特点是无需对象精确的数学模型并具有较强的鲁棒性，所以许多学者都将智能控制方法（如专家系统、模糊控制、人工神经网络控制等）引入了电动机控制系统，这也是未来一段时间内直流电机高性能调速系统的主要研究方向。

目前国内外学者对无刷直流电动机的研究大多集中在其速度和位置控制技术上。在最开始的运动控制系统设计中，采用的是转速负反馈单闭环调速系统，启动时加入给定电压，由于机械惯性，电机不会立刻转起来，使得电流过大，会烧坏电机，所以引入了电流闭环控制。无刷直流电动机速度伺服系统采用电流、速度双闭环控制，电流环采用电流ＰＷＭ滞环控制或电流跟踪ＰＷＭ控制，这两种方式都能够得到较好的动态性能，相比较而言，滞坏调节响应速度更快一些。在电流ＰＷＭ滞坏控制中，三角波比较方式带有一个串连的ＰＩ调节器，它的调节时间稍微长一些，且有超调。三角波比较方式相对滞环比较方式优越的地方在于开关频率已知且固定，可以很容易设定三角波的频率，既能充分发挥功率管的能力，又能保证不超过功率管的允许开关频率，滞环比较器的开关频率则取决于滞环宽度，需要反复测试以使开关频率不超越功率器件的允许开关频率【９ｌ。无刷直流电动机位置伺服系统采用速度、位置双闭环控制，速度环可采用速度伺服系统中的各种控制策略进行控制，为了提高系统的快速响应性，位置环常采用变结构控制。有些学者在双闭环控制基础上提出了三环控制，即转速，电流，位黄三环控制，在稳态精度，动态响应方面比双闭环控制效果更好【ｌｏｌ。受控制理论和控制器件的限制，无刷直流电动机很长时问内一直采用经典ＰＩＤ控制，该控制方法可使系统性能满足各种静、动态指标。

（１）ＰＩＤ控制

在无刷直流电动机速度闭环控制方案中，ＰＩＤ控制器虽然容易使用，但易受干扰，

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第一章引青

采样精度和数字量上下限的影响易产生积分饱和而失去调解作用。而采用非线性变速积分ＰＩＤ算法时，可将ＰＩＤ控制器输出限制在有效输出范围内，避免其超出执行机构动作范围而发生饱和。这种算法消除了一般ＰＩＤ控制器算法中的饱和现象，使电机调速稳定，并具有快速跟随性，同时也使电机具有恒转矩调速特性【６Ｊ。有的学者在无刷直流电机闭环控制数学模型基础上，用ＰＩＤ控制器实现对电机控制，通过参数调整使系统的动态特性达到最好【Ｉ¨。但是单纯的ＰＩＤ控制在电机参数发生变化以及负载变化时，在速度调节和抑制转矩脉动上的效果不理想，所以需要将先进的控制算法与传统的ＰＩＤ控制相结合，能够获得比较理想的动态性能。

（２）智能控制

智能控制是控制理论发展的高级阶段，智能控制系统具有自学习、自适应、自组织功能等，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其他较复杂的问题【ｌ２１。无刷直流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的研究对象，利用模糊控制可以取得较满意的控制效果。主要采用的模糊控制策略有：基于简单模糊控制器、模糊．ＰＩ复合控制器、模糊ＰＩＤ（ＰＩ）控制器、自适应、自组织、自学习模糊控制器和集成及智能模糊控制器的速度控制方法【ｌ３。。

模糊控制不依赖于被控对象精确的数学模型，对系统动态晌应有较好的鲁棒性，但难以消除系统稳态误差，而ＰＩＤ控制方法可以很好地解决这一不足，若将两者结合起来则系统同时兼有两种方法的优点【１４１。在无刷直流电动机控制系统中，电流环采用经典ＰＩ调节，速度环采用模糊控制和ＰＩＤ混合结构，将ＰＩＤ控制器分解为模糊ＰＤ控制器和传统的积分环节，既保留了经典ＰＩＤ控制器的特性，又增加了模糊ＰＤ控制器快速响应的特点，做到了响应快和静态无误差，完善了ＰＩ …… 此处隐藏：2818字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……