基于内模控制的直流无刷电机调速系统设计

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1、总第176期舰船电子工程Vo1．29No．22009年第2期ShipElectronicEngineering188基于内模控制的直流无刷电机调速系统设计李志坤让余奇(海军工程大学武汉430033)摘要根据内模控制原理，以控制系统的传递函数为基础，设计基于内模原理的控制器，将其与普通的PID控制器性能作了比较，仿真结果表明，在响应性能及抗干扰方面内模控制器有着明显的优势。关键词直流无刷电机；内模控制器；调速系统中图分类号TM33DesignofSRSystemBasedonIMCforBLDCMLiZhikunRangYuqi(NavalUn

2、iversityofEngineering，Wuhan430033)AbstractThispaperdevelopsaSRsystemofBrushlessIX；Motorbasedoninternalmodelcontro1．TheregulatorbasedonIMCimprovestheperformanceoftheSRsystem．Thetheoryanalysisandsimulationresultsapproveit．．KeywordsBLDCM，IMC，SRClassNumberTM33式中：U为电源电压；E为电枢绕组反电

3、势；J为1引言平均电枢电流；racp为电枢绕组的平均电阻；21U为无刷直流电机是新一代机电一体化产品，它既功率管饱和压降，对于桥式换相电路为2△U。具备异步电机结构简单、运行可靠和维护方便等特点，又具有直流电机的运行效率高，调速性能好等诸多优点。因此无刷直流电机在许多工业和生活领域都得到广泛应用口卅]。本文在建立无刷直流电机数学模型的基础上，详细分析了无刷直流电机的工作原理和调速特点，并针对双闭环调速系统的无刷直流电机调速系统图1三相无刷直流电动机等效电路图中存在的问题进行改进。对其进行建模可得三相无刷直流电机的动态数学模型框图[。如图1所示

4、。2直流电机模型本文研究的是无中性线y形连接的三相无刷直流电动机，它代表了许多应用场合中的绝大多数无刷直流电机，无刷直流电机电势平衡方程式为：图2无刷直流电机动态数学模型框图U—E+Lracp+AU收稿13期：2008年9月18日，修回日期：2008年1O月12日作者简介：李志坤，男，硕士研究生，研究方向：电气工程。2009年第2期舰船电子工程189图2中，T为电枢回路电磁时间常数；统中，由于电枢回路的电磁时间常数一般都要比电T为拖动系统机电时间常数。力拖动系统的机电时问常数小得多，因而电流的调无刷直流电机的转速、电流双闭环调速系统的节过程往

5、往比转速的变化过程快得多，也就是比电动态结构图如图3所示。动机反电动势E的变化快得多，反电势对电流环来说只是一个缓慢变化的扰动作用，由双闭环调速系统起动过程的分析可以看出，当电流调节过程结束时，反电势只有很小的变化，因此在电流调节器快速调节过程中，可以认为反电势E基本不变，即认图3双闭环调速系统的动态结构图为AE~．O。按工程设计方法，对电流环作适当的近图3中，为晶体管触发与整流装置的滞后似和简化处理[，可得电流环的简化动态结构图如时间常数。图5所示。3内模控制3．1内模控制系统的特点内模控制的基本结构如图4所示，图中P(s)为实际被控过程对

6、象，M(s)为被控过程的数学模图5电流环的简化动态结构图对电流环用内模控制方法设计ACR。假定被型，Q(5)为内部模型，【，(s)为内模控制器，r，Y，d分控对象与模型匹配，则别为系统的输入、输出和干扰信号。通过求取参考输入r和扰动输入d与过程输出之间的传递函P(S)一M(S)一面数得出系统闭环响应为由于M(S)为最小相位系统，故内模控制器Qy㈤一雨丽(S)=M-(S)F(S)。一般来说低通滤波器F()一一+讯1+Q(s)[P(s)-M(s)~c嘶')P(S)C(S)R(S)，D(5)则电流调节器传函为1+P(S)C(S)1+P(S)C(S)

7、(5)_C(s)一从图4可知，其反馈信号为(s)一[P(s)一M(s)]U(s)4：-D(s)。一S。从上式可以看出，用内模控制法设计的电流调节器ACR为PID调节器，其传函w枷(s)中可调参数只有便于整定ACR参数，电流环具有内模控制的全部优点。图4内模控制的基本结构3．2．2转速环中转速调节器的设计当模型匹配时，P(S)一M(S)，若选择Q(S)=将设计好的电流环进行等效，当内模控制系统M(S)，且该系统可实现，则y(S)一R(S)，此时被控对象与模型匹配时，系统输出为系统的输出始终等于输人，不受任何干扰，具有较y(S)一F(S)R(S)

8、+El-F(S)~D(S)强的鲁棒性。此处D(S)一0，所以电流环的等效传函为F3．2基于内模控制的双闭环调节器的设计(S)一y(S)／R(S)，注意到上式只于F(