无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真
摘要
舵伺服系统在航空航天领域，有着广泛应用和重要的研究价值。应用无刷直流电机作为舵系统执行器，可以增大系统输出转矩，实现系统小型化。本文基于无刷直流电机执行器，利用 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元，应用滑模变结构控制策略，实现舵机系统伺服，提高舵系统抗扰性和信号响应的快速性；并在系统中加入滑模观测器，实现对于系统内部状态量的观测，为实现无位置传感器控制提供条件本文应用无刷直流电机作为舵系统执行器，通过分析和设计滑模变结构控制算法，实现舵系统位置伺服控制，利用滑模变结构控制策略的特性，提高系统对于扰动和内部参数摄动的鲁棒性，与基于传统控制策略的伺服机构相比，系统的抗扰性得到了提高。并在系统中引入滑模观测器，利用电流、电压传感器采样相电流和相电压作为该观测器的给定量，观测出电机的速度，转子运动换相位置信号和三相反电动势波形，从而实现电机的无位置传感器控制。
本文通过分析舵伺服机构的主要结构和工作原理，根据实际系统技术要求，设计出基于电动伺服系统的数字控制器。利用 DSP 强大的数据处理能力和 FPGA 并行运算能力，实现设计的控制算法，提高舵系统的性能。通过 MATLAB 中 Simulink 环境下构建理想系统模型，应用滑模控制算法，进行模型仿真。通过系统仿真分析，设计出满足离散系统的滑模控制器参数。通过 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元实现滑模变结构控制算法，应用于舵伺服系统中[1]。最后，通过完成整体硬件与软件平台设计，实现对舵伺服系统的控制。通过仿真和实验结果分析，验证了滑模控制具有强鲁棒性和抗扰性，满足舵系统对于快速性和抗扰性的技术要求，提高了系统
整体控制性能。
关键字：滑模控制；滑模观测器；无刷直流电机；舵伺服系统；DSP+FPGA
Brushless dc motor of the sliding mode controller design
and simulation
Abstract
Rudder servo system is used in the aerospace field, it has important research value. Using BLDCM as the rubber system actuator, it will improve the system’s output torque, and achieve system’s miniaturization. Based on BLDCM actuator, combined DSP and FPGA as the core processing unit, using the strategy of sliding mode variable structure control achieve the rubber servo system which improve the robustness for disturbances and the speed for signal response. Adding sliding mode observer in the system realize the observation of internal system state which provide reliable parameters for the realization of position sensorless control
Through a brief analysis of rudder servo on both the main structure and working principle, based on the actual system technical requirements, this paper designs a digital controller which is based on electric servo system. Using DSP and FPGA as the core control unit, and the strong ability of DSP data processing and the ability of FPGA parallel computing , achieve the design of control algorithms, and improve performance of rubber system
Using BLDCM as the servo system actuator, through analysis and designing the algorithm of sliding mode control, this paper achieves the position servo control in rubber system. Using the characteristic of sliding mode variable structure improve the robustness for disturbance and inner parameters transformation. Compared with the control strategy based on traditional servo system, it improves the immunity of servo system. And adding sliding mode observer in the system, use circuit sensors and voltage sensors sample phase circuit and phase voltage as the giving quantities to observer. This paper rely on
observer getting the motor’s speed, moving rotor’s changing phase position signal and three-phases waveforms of back-EMF, so that achieve the sensorless motor control Using Simulink in MATLAB build the ideal mode of the real system and the algorithms of sliding mode, and carry out mode simulation.Through the system simulation, design a sliding mode controller which meet the parameters of discrete systems, and through the combination of DSP and FPGA core processing unit realize control algorithm, which is applied to the rudder servo system. At last, finishing the design of whole hardware and software, realize the control of rubber servo system. Through the simulation and experiment, testified sliding mode control has strongly robustness and immunity for disturbance. This meets the rubber s ystem’s technology requirements including rapid and immunity for disturbance, and improves overall s ystem’s control performanc e
Keywords：Sliding mode control，Sliding mode observer，BLDCM，Rubber servo system，DSP+FPGA
目录
摘要 ..................................................................................................................................................... I Abstract.................................................................................................................................................... I I 第1章绪论. (1)
1.1 课题背景及研究的目的和意义 (1)
1.2 国内外伺服研究现状 (2)
1.3 无刷直流电机控制方法 (2)
1.3.1 传统的控制方法 (3)
1.3.2 模糊控制方法 (3)
1.3.3 鲁棒控制方法 (3)
1.3.4 神经网络控制方法 (4)
1.3.5 自适应控制方法 (4)
1.3.6 滑模变结构控制方法 (4)
1.4 伺服系统应用的主要问题 (5)
1.5 课题研究的主要内容 (6)
第2章伺服系统的构成与数学模型 (8)
2.1 伺服系统的总体结构 (8)
2.1.1 无刷直流电机的选择 (9)
2.1.2 伺服系统驱动方式 (9)
2.2 无刷直流电机的工作原理 (9)
2.3 无刷直流电机数学模型 (15)
2.3.1 无刷直流电机的方程 (15)
2.3.2 无刷直流电机的状态方程 (16)
2.3.3 无刷直流电机的电磁转矩方程 (16)
2.3.4 无刷直流电机的运动方程 (17)
2.3.5 无刷直流电机的机械特性 (17)
第3章滑模变结构理论 (19)
3.1滑模变结构控制的基本原理 (19)
3.2滑模运动及其存在和到达条件 (19)
3.3滑模变结构控制 (19)
3.3.1滑模变结构控制器设计 (19)
3.3.2切换函数的设计 (20)
3.3.3控制律的设计 (20)
3.4抖振改善 (20)
第4章基于滑模变结构的控制系统设计 (22)
4.1 滑模控制器 (22)
4.2 滑模观测器 (27)
4.3 系统仿真与结果分析 (28)
4.4 本章小结 (34)
第五章结论 (35)
参考文献 (38)
谢辞 (40)
第1章绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
随着科技的发展，伺服系统应用领域更加广泛，主要应用于智能机床、机器人、导弹制导以及船舶、车辆的自驾驶，可以说是实现未来工业全自动智能化必不可少的环节。从 1934 年，最先提出伺服机构（Servo mechanism）概念[2]，到现在近八十年的发展过程中，主要经历三个发展过程：从最初的液压伺服马达、功率步进电机；而后出现了的直流伺服电机；到现在的基于数字芯片控制，采用先进控制策略的交流伺服系统。市场的巨大需求，科学技术的不断发展推动了交流伺服系统的前进。伺服系统主要包括执行器和伺服驱动器，执行器主要指电机、液压缸等，而伺服驱动器主要指系统控制器。相比较传统的伺服系统，现在伺服系统具有寿命长、可靠性高、体积小、调速性能好等诸多优点。而无刷直流电机是随着电力电子发展和新型永磁材料的出现而发展起来的新型电机，由于其具有诸多优点，现在被广泛的应用于现代数字式伺服系统中。相比于其他种类电机而言，它既具备直流电机优良的调速特性和高工作效率，又具有交流电机维护方便，构造简单，可靠性高的特点。并且克服有刷直流电机采用电刷换相所带来的机械火花、电磁干扰、电机损耗高、维护不方便等问题，同时无刷直流电机还具有独特的优点，如体积小、重量轻、结构简单、输出功率大、动态特性好等。随着新型永磁材料的出现，应用于无刷直流电机转子材料价格下降及材料磁性能的提高，在高精度、高可靠性、宽调速范围、中小功率的伺服系统中，受到研究员和开发员的青睐，应用范围越来越广对于舵伺服系统主要研究方向为舵机执行器和舵伺服驱动器，而无刷直流电机由于其体积小，输出转矩大，可靠性高等诸多优点，非常适合做舵机执行器；而舵伺服驱动器主要依赖于现代控制器，其中包括数字处理器和先进伺服算法。传统的处理器多采用分立元件搭建的模拟电路，控制器体积大，算法可靠性低，系统抗扰性差、成本高。而数字式处理电路，提高了系统的可靠性和抗扰性，同时可实现复
杂的伺服算法
针对舵机系统来说，先进伺服算法可实现更优良的调速性能，提高系统的抗扰性和快速性。经典控制理论设计的控制器适用于模型确定的线性系统，不能满足高性能指标要求，控制器具有局限性[3]。由于系统模型不确定性、非线性、参数变化，通过引入先进伺服算法，可提高系统的稳定性和抗扰性，并且对于系统内部参数变化有很好的鲁棒性。本文主要针对舵伺服系统问题，而本实验舵系统对于控制器的性能要求主要包括两个方面，快速性和抗扰性。通过引入滑模控制策略，可实现系统对于参数摄动和扰动的强鲁棒性，提高系统控制性能，对于工程应用有非常重要的研究价值
1.2国内外伺服研究现状
目前直流电机仍广泛应用于伺服系统中，但无刷直流电机正逐步取代直流电机成为伺服系统的主流[4]。随着科技发展进步，人们需求的设备性能提高，伺服系统正朝着小型化、数字化、高效率化及高智能化的方向发展。因此，对于伺服系统的执行元件，提出了更高的要求。无刷直流电机也正是近几年来国内外学者研究的重点。而国外公司将无刷直流电机应用于工程中较早，如日本的FANUC、Fujistu、Panasonic，美国的AE、Kollmorgen，德国的SIEMENS，法国的EBC、韩国的Samsung 等，早在 20 世纪 80 年代已经推出了基于无刷直流电机的交流伺服驱动产品，伺服驱动市场一直由国外把持，国内在此方面起步比较晚[5]。近几年来，国内在生产和实际应用规模都在快速增长。目前，国内的一流大学和研究所都开始研究并推出交流伺服系统产品，推动我国无刷直流电机伺服系统产品的发展和进步，在工业、自动化、航空航天以及现代军事等领域迅速得到应用。
1.3无刷直流电机控制方法
基于无刷直流电机的伺服系统控制策略种类很多，各有优缺点，针对实际性能指标选择，不同的控制策略或组合控制策略，可提高系统控制精度。由于无刷直流
电机存在电磁转矩扰动和负载转矩扰动，而且电机参数也会发生改变，传统的控制方法无法满足高精度的伺服控制。随着研究的深入，一些新型、非线性的伺服控制策略，逐渐应用于无刷直流电机伺服系统中，实现工程应用，主要有以下几种：1.3.1传统的控制方法
传统的控制方法主要包括 PID 控制，Smith 预估计器、解耦控制。PID控制是经典控制方法，具有很强的鲁棒性，是交流伺服系统中一种最基本的控制策略。一般利用PID的无差调节特性，将其与其他控制策略组合，同时应用数字芯片实现PID 控制算法[5]，构成数字式交流伺服系统。对于高性能指标的伺服系统，PID控制方法将无法满足系统的快速性和稳定性，适用范围有局限。
1.3.2模糊控制方法
模糊控制不需要精确的了解伺服系统模型，对于模型复杂或模型不确定的系统，通过将模糊逻辑语言作为系统的控制函数，通过将反馈参量与给定参量做差，作为一个控制量，在一个“大约”的控制范围内，实现对输出量输出大小的调节。可以说模糊控制，类似于人的控制过程，包含了人的控制经验和知识，对于设计的经验要求较高，若设计控制不合理，会严重影响系统的控制性能[6]。
1.3.3 鲁棒控制方法
系统不确定性主要包括模型不确定性，如参数摄动与未建模动态特性；以及外界扰动不确定性。通过设计鲁棒控制器可保证系统稳定鲁棒性和品质鲁棒性，从而满足系统的性能指标的要求[7]。 H∞是鲁棒控制中较为成熟的方法，以扰动输入至评价信号的传递函数矩阵的范数作为性能指标，依据该性能指标设计控制器，对于扰动抑制有很好的效果。由于鲁棒控制能够解决系统不确定性问题，其控制方法也是主要的研究方向。但鲁棒控制会使系统无法工作在最优状态，所以不能发挥系统最佳性能，控制效果有限制。
1.3.4神经网络控制方法
神经网络控制主要应用于非线性系统中，对于连续时间系统有很强的映射能力，并且神经网络的自学习功能在舵伺服系统中，可实现模型自适应功能神经网络控制在伺服系统中主要应用以下几个方面：（1）通过神经网络控制实现电机参数跟踪、在线辨识，通过在线调整磁通和转速控制器，从而提高矢量控制效果；（2）神经网络可实现对转子磁通幅值、位置及转速的精确估算，从而为感应电机矢量控制提供所需状态量；（3）神经网络可以与模型参考自适应控制方法结合，此组合控制器可应用于自适应速度控制器。但是由于神经网络控制需要经过大量的运算处理，对于硬件要求很高，工程成本投入很高，适用范围很小[7]。
1.3.5自适应控制方法
由于伺服系统电机参数变化和外界干扰对于系统伺服性能的影响，可采用自适应控制策略加以降低或消除。模型参考自适应控制方法是在控制器与被控对象组成的基本回路外，重新搭建一个基于参考模型和自适应机构的附加调节电路。其中自适应机构用于调节控制器参数，从而对控制对象产生附加的调节作用，使伺服电机输出和参考模型输出一致
1.3.6滑模变结构控制方法
滑模控制的方法出现在 20 世纪 50 年代，其发展过程大致可以分为三个阶段（1 ） 1957-1962 年在 20 世纪 50 年代，前苏联学者 Utkin 和 Emelyanov首次提出滑模控制的概念，是滑模控制方法初步形成的标志，设计和研究该方法的目的，主要是实现二阶线性系统控制；（2）1962-1970年到60年代，对于滑模控制方法的主要研究方向为高阶线性系统，且仅限于SISO系统。主要研究内容包括，高阶线性系统控制中应用线性切换函数控制是否受限和切换函数的二次型等问题。现在，滑模控制在工程领域的主要应用范围包括：机器人控制、飞行器控制、卫星姿态控制及电机与电力系统控制等。滑模控制的特有性质在于，通过该控制方法可实现当系
统在滑动模态附近运动时，系统对于外界扰动和内部参数摄动具有强的鲁棒性。在舵机伺服系统中，由于具有非线性和不确定性，导致伺服系统很难确定为一个准确的数学模型，而在建模过程中，需要忽略一些不确定因素。而由于模型不确定性，从而导致控制器设计不准确，导致控制系统品质下降。但对于滑模控制特有的参数摄动不灵敏性和强鲁棒性，对于不确定的控制系统也能满足要求，也正是由于滑模控制特有的特点，非常适合伺服系统控制。滑模变结构控制缺点在于由于系统控制函数控制系统沿着滑模面附近运动，会产生高频开关切换，从而系统引入抖振问题。产生抖振的主要原因是，控制函数控制系统运动在滑模面附近，控制开关进行高频切换，并在滑模面上往复穿越，实现系统“结构”的改变，但由于切换速度有限大，从而形成抖振，并且抖振波形叠加于滑模动态上。滑模控制的主要缺点就是运动控制时，存在高频的抖振，抖振不仅影响控制的准确性，而且增加系统的能量消耗，甚至能够引起系统失稳，烧毁主要控制器件。目前，国内外学者对于抗抖振问题，已经获得了一些成果，并从不同角度提出了解决方法。主要包括：设计切换函数的趋近律法；应用滤波器对控制信号进行低通滤波的滤波法；采用滑模控制、神经网络控制或遗传算法与滑模变结构控制算法相结合的智能控制法；应用切换函数的二阶导数构成新的切换函数算法的切换增益法；设计两个滑动模面实现滑模切换控制的扇形区域法等。对于上述克服抖振的方法各有优缺性，需要分析实际系统，选择合适的方法，从而优化滑模控制器，提高系统控制精度
1.4伺服系统应用的主要问题
随着电力电子技术发展、集成电路拓扑多样化和变速驱动技术的进步，伺服系统有了突破性的发展[8]，电动机和伺服驱动器正朝着数字化的方向发展。针对不同的伺服系统，根据要求的技术参数，设计不同的执行器与伺服驱动器的组合，实现伺服系统功能。而本文主要针对舵伺服系统，而传统的电伺服机构采用模拟电路控制主要缺点为体积大、可靠性低、精度低，已经逐步被数字式电伺服取代。实际系
统的舵机系统的要求主要有以下5个方面：（1）伺服驱动系统具有足够的输出力矩和功率，满足不同条件的要求；（2）能够频繁的起、停、止、反重复运行；（3）通过控制器指令，能够快速的进行位置、速度控制；（4）伺服系统应具有好的稳定性，对于系统的控制命令响应速度快；（5）要便于维护。为要满足技术要求高的舵系统，则需要舵机执行器和舵系统驱动器能够达到更高的性能指标，特别在航空航天及军事武器领域，提出了更高的标准。利用数字式控制器，应用先进伺服算法，提高系统的快速性、可靠性和抗扰性，从而使舵机位置伺服更加准确而由于舵伺服系统具有非线性和不确定性，存在很多影响系统性能的因素，主要包括以下四个方面（1）非线性因素：摩擦力矩、负载扰动，驱动饱和、电机力矩波动；（2）参数摄动：负载变化导致系统转动惯量变化，电机运行导致系统温度升高所引起的温漂；（3）机械振动及高频未建模动态；（4）测量延迟即信号噪声。随着舵机系统的应用范围的扩大，为了适应更加复杂的环境，对于系统的抗扰性提出了更高的标准，在选择和设计控制算法时，需要能够克服影响系统的参数摄动和非线性因素，提高系统控制性能
1.5课题研究的主要内容
本文主要针对舵机伺服系统进行研究，基于数字式控制电路，设计滑模变结构控制和滑模观测器，实现舵机系统的位置-电流的双环控制。通过滑模观测器实现对于转速、转子运动换相位置信号、反电动势的观测，应用于无位置传感器的无刷直流电机控制系统中。本文应用 MATLAB 平台下 Simulink 进行系统模型仿真，通过仿真分析，设计出满足实际系统要求的控制算法[10]。最后，本文详细说明了所设计的舵伺服系统硬件平台与软件平台，以及各部分所实现的功能。本文的舵伺服系统的执行元件选择无刷直流电机，以 DSP 与 FPGA 相结合数字芯片作为系统核心运算单元，完成复杂的滑模控制算法，最终实现舵系统位置伺服。课题主要包括以下四个方面：（1）文章首先介绍无刷直流电机的结构与工作原理，依据无刷直流电机的
数学模型，构建简单的伺服系统模型，并根据实际系统性能指标，选择所需要的驱动控制方法，完成伺服系统整体设计；（2）通过基于 MATLAB 的 Simulink 仿真平台，应用滑模控制算法，实现对于无刷直流电机的双闭环控制。并利用滑模观测器实现对于无刷直流电机的转子运动换相位置信号、转速和反电动势的观测，此方法可实现无位置传感器的无刷直流电机控制；（3）基于滑模控制算法，设计出舵伺服系统的驱动器，控制器，实现对于电机系统的伺服控制。控制策略包括外环位置滑模控制，内环电流 PID 控制；（4）通过 DSP 与 FPGA 控制器组合，实现滑模控制和滑模观测器算法。此设计方法，既利用 DSP 强大的数据处理能力，同时利用 FPGA 并行处理能力。最后通过实验，验证滑模控制的性能，并总结实验中所出现的问题。
第2章伺服系统的构成与数学模型
本章主要介绍了基于无刷直流电机的伺服系统的整体结构及工作原理，深入分析组成伺服系统的各个部分的功能，对无刷直流电机及控制系统进行了理论分析，得到了系统数学模型，从系统功能入手，优化了基于 DSP 和 FPGA的控制结构。
2.1伺服系统的总体结构
图2-1无刷电机控制的结构图
图 2-1 为无刷直流电机系统的结构图。无刷直流电机采用DSP与FPGA组合的控制系统，通过 DSP 实现数据处理，FPGA 实现产生 PWM 信号。采样三路相电流和母线电流，及三路相电压信号作为滑模观测器输入，在 DSP 观测出电机转速 n、角位置θ、反电动势ex，可以实现电机无位置传感器启动和控制，从而节约系统成本和提高控制精度。无位置传感器的无刷电机具有小型化、结构简单、高可靠性、制造简单、维护方便和节能等诸多优点。通过滑模控制器可以控制无刷直流电机的转速或位置，实现电机伺服控制。相比较传统的 PID 控制，应用滑模变结构控制可以提高系统的鲁棒性，对于扰动，具有很好的抑制作用。伺服系统内环电流环应用PID
调节，实现电机无静差控制。从而保证了整个系统响应的快速性和稳定性。
整个系统需要增加三路相电压和相电流检测环节，相电压和相电流检测信号作为滑模观测器输入，然后估算出电机反电动势，通过反电动势估算出转子运动换相位置信号，最终实现对电机转速的观测。同时电机需要通过电流传感器把电机三路相电流检测出来，电机相电流一用于电流闭环控制，二作为滑模观测器输入，从而通过切换函数，实现滑模变结构控制。
2.1.1无刷直流电机的选择
根据伺服系统的工作用途不同，选择不同容量的无刷直流电机[12]，以满足实际系统要求。本文应用无刷直流电机作为舵伺服系统的执行器，功率要求大于等于700W，额定力矩 1.1 N M，额定转速为 2000 。相比较舵伺服系统与其他伺服系统最大的不同之处，主要是对于系统的小型化、快速性和抗扰性要求很高，所以在选择电机时应选用位置传感器内置，且额定转速高的隐极电机
2.1.2伺服系统驱动方式
驱动电机的方式有很多种，主要有滞环比较，PWM，SPWM，SVPWM等。针对无刷直流电机驱动控制，主要采用滞环比较和 PWM 两种方式，而对于 SPWM 和 SVPWM 均为 PMSM 的控制方式，输出的磁势呈正弦状态变化，不适合无刷直流电机控制。滞环比较方式驱动电机，主要应用于模拟电路中，滞环带可调；而PWM多用于数字电路驱动电机，可产生高频的开关信号，提高电机控制的精度，而且对于数字电路可实现可靠的 0-1 切换。通过改变PWM信号占空比，调节电机的输入电压，可实现舵机调速，从而到达给定位置，实现舵机位置伺服
2.2无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机与有刷直流电机的工作原理基本相同，主要利用位置传感器检测转子位置信号，依据换相逻辑表，判断开关导通顺序，输出驱动器所需的开关信号，从而控制电机运转。无刷直流电机的定子绕组有星形接法和三角形接法，其中星形接法的电机以两两导通方式最为常用，本课题所使用的电机就是此电机。两两导通模式，即在电机运转的过程中，三相逆变电路的上桥臂和下桥臂分别只能有一个导通，且非同侧功率开关管，每相导通时间为的电角度，而一个霍尔周期中有六个导通状态，即每一个周期内，每检测转子位置传感器信号变化，就将根据开关逻辑表，依据正转与反转，控制器输出下一时刻开关驱动信号，从而保证每一个开关管导通时间均为120 电角度。无刷直流电机的运行过程、转子位置与磁势方向如图2-2所示。图2-2中显示了定子绕组的联结方式，三个绕组通过中心的连接点以“Y”型的方式联结。当电机以两两导通方式工作时，共有6种情况，如图2-2中描述6种情况下每个通电线圈产生的磁势的方向和两个线圈的合成磁势方向
AB相导通 AC相导通
C）BC相导通 D）BA相导通
E)CA相导通 F)CB相导通
图 2-2 星形绕组两两导通的 6 种情况
在图（2-2 a)中，AB相通电，即此时的电角度为0，转子会尽量向定子线圈所产生的合成磁势方向运转，电机的永磁体转子所形成的磁场与定子线圈通电的磁场相互作用，从而推动电机逆时针旋转。当转子旋转60的电角度，即如图 2-2b)所示，
图2-3一个周期内霍尔信号开关状态图
若为了避免由于前一时刻的定子线圈所产生的磁场与转子磁场相互削弱，需外线圈换相，改成AC相通电，这时转子会继续运动，当转子位置到达图2-2c)中箭头位置时，外线圈再次换相，改成BC相通电，再以此类推。当外线圈完成 6 次换相后，内转子正好旋转一周
图2-3中画出了换相前和换相后合成磁场方向的比较与转子位置的变化。一般来说，换相时，转子处于与合成磁力线方向垂直方向，将使电机输出最大转矩。如图2-3所示，电机的运行位置与当前电机转子所到达的位置有关，在一个电周期内出现的霍尔信号的开关状态。
表 2-1 无刷直流电机正传时开关序列表
电机正转或反转的开关管导通相序，与霍尔传感器获得的位置信号有关，根据三相 Y 型两两导通的电机工作过程，表 2-1 表示电机正转运行时桥臂导通相、开关管和霍尔信号的情况[16]，表 2-2 表示电机反转运行时桥臂导通相、开关管和霍尔信号的情况
由上表可以看出，虽然由于正反转开关导通时刻不同，但是在特定的开关导通时刻均有相同的霍尔位置信号，而且对于正转和反转只是逻辑开关顺序反过来。在正转时，开关导通顺序为 AB-AC-BC-BA-CA-CB，即分别是逆变器的上下桥臂的开关导通顺序不同，但每一个开关管导通时间均为120 的电角度，从而方便控制。
图 2-4 无刷电机的位置信号、导通次序、反电动势、相电流波形图
在电机正转条件下，图 2-4 为三路霍尔元件输出波形，逆变器上下桥臂开关管
导通顺序，三相感应电动势波形和三相相电流波形。可以看出无刷直流电机的感应
电动势为梯形波，其大小与电机转速有关，相电流波形为矩形波。根据霍尔信号所
检测的不同转子位置，控制绕组导通相序[17]。
在电机正转条件下，图 2-4 为三路霍尔元件输出波形，逆变器上下桥臂开关管
导通顺序，三相感应电动势波形和三相相电流波形。可以看出无刷直流电机的感应
电动势为梯形波，其大小与电机转速有关，相电流波形为矩形波。根据霍尔信号所
检测的不同转子位置，控制绕组导通相序。
2.3无刷直流电机数学模型
2.3.1无刷直流电机的方程
由电机学可知，无刷直流电机相电压方程可表示为；
=+P+ (2-1)
式中:、、——电机三相相电压,(V)；
、、——电机三相反电势，( V)；
、、——电机三相相电流，( A)；
、、——三相绕组电阻，(Ω)
、、——三相绕组自感，( H)
——两相绕组间互感（其余各相互感值类推），( H)
P——=（2-2）
微分算子。无刷直流电机内部转子是由永磁材料制成，磁场强度恒定，对于定子互感无影响可忽略，可设定、、、、、、、为常数.与转子位置无关。且== = L， = = = = = =M.令= = =R,则
第44卷 2011年 第4期 4月 M ICR OM OTOR S V ol 44.N o 4 A pr 2011 收稿日期:2010-04-07 基金项目:西北工业大学研究生创业种子基金项目 作者简介:李延升(1983),男,博士研究生,研究方向为电机与电器。E-m a i:l liyanchao mm@yahoo .co https://www.doczj.com/doc/b56220305.html, 窦满峰(1967),男,教授,博导,研究方向为电机与电器。 对转式永磁无刷直流电机的建模与仿真 李延升,窦满峰,雷金莉 (西北工业大学,西安 710072) 摘 要:该文根据对转式与普通永磁无刷直流电机区别,建立了对转永磁无刷直流电机的数学模型,采用M atlab /S i m u li nk 仿真软件建立了电机的仿真模型,并对电机带螺旋桨负载进行仿真分析。仿真结果表明:仿真波形与理论分析基本一致,验证该模型的有效性,为对转式永磁无刷直流电机的控制算法研究提供了工具。关键词:对转式;无刷直流电机;建模;仿真 中图分类号:TM 36+1 文献标志码:A 文章编号:1001-6848(2011)04-0019-04 M odeli ng and Si m ul ati on of the Contra -rotati ng BLDC M otor Control Syste m LI Yansheng ,DOU M anfeng ,LE I Jinli (N ort h w estern P oly technical University ,X i an 710072,China ) Abst ract :Contra -rotati n g per m anentm agnet br ush less DC m otor uses per m anentm agnet as the ou ter rotor , the ar m ature w inding as the i n ner rotor ,both inner and outer rotor i n teracts on the reverse ro tation by m eans of t h e m agne tic force .Based on the ana l y sis of the m athe m atica lm odel o f contra -rotating BLCDM,the mode l of BLDC M w as estab lished by the m odu lar design in M atlab /S i m ulink ,and the si m ulati o n experi m ent w as acco m p li s hed w ith a pr ope ller loads .The si m ulati o n resu lts are consistentw ith t h e theory analysis ,and the m ethod is va li d .The para m eter of th ism ethod is suitable for verif y ing the reasonability o f other contr o l algo -rit h m s and provides a ne w w ay fo r further research o f the con tra -rotati n g BLDC M.K ey w ords :contra -rotati n g ;BLCDM;m odeli n g ;si m u lati o n 0 引 言 对转式无刷直流电机直接驱动对转螺旋桨,在水下航行器中广泛应用 [1] 。它与普通永磁无刷直流 电机比较,除永磁体部分可以旋转,电枢部分也相对静止部分旋转,即电磁转矩驱动两个转子朝相反的方向旋转。以电枢部分为参照系来观察永磁体部分的旋转行为,可以发现对转式永磁无刷直流电机与普通的永磁无刷直流电动机的电流方程、电压平衡方程一致,数学模型中仅仅多了一个运动方程 [2] 。 根据这一思路,本文根据对转永磁无刷直流电机的数学模型,在S i m u li n k 软件中建立仿真模型,并对其进行仿真分析。 1 对转式BLDC M 数学模型 无刷直流电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等 [3] ,这些物理量的计算与 电机的气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。 对于稀土永磁无刷直流电动机,其气隙磁场波形可以为方波也可以为正弦波或梯形波,这与选用电机的磁路结构和永磁体的形状有关。本文研究的对转式永磁无刷直流电机,其气隙磁场波形为方波,绕组中感应电动势为梯形波,采用方波电流驱动。在分析和仿真控制系统时,可直接利用电机原有的相变量来建立数学模型,既方便,又能获得准确结果。 假定永磁无刷直流电机工作在二相导通星形三相六状态下,工作过程中磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组完全对称,那么三相绕组的电压平衡方程式为:U a U b U c =R 000R 000R i a i b i c +L -M 000L -M 00 L -M d i a d t d i b d t d i c d t +e a e b e c (1)
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/b56220305.html, 无刷直流电机的建模与仿真 作者：秦超龙 来源：《电脑知识与技术》2013年第05期 摘要：该文在分析无刷直流电机（BLDCM）数学模型和工作原理的基础上，利用Matlab 软件的Simulink和PSB模块，搭建无刷直流电机及整个控制系统的仿真模型。该BLDCM控制系统的构建采用双闭环控制方法，其中的电流环采用滞环电流跟踪PWM，速度环采用PI控制。仿真和试验分析结果证明了本文所采用方法的有效性，同时也证明了验证其他电机控制算法合理性的适用性，为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 关键词：BLDCM控制系统；无刷直流电机；数学模型；MATLAB；电流滞环 中图分类号： TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）05-1172-03 随着现代科技的不断发展，无刷直流电动机应用技术越发成熟，应用领域也越发广泛，用户对无刷直流电动机使用增多的同时，对其控制系统的设计要求也变得越来越高。包括低廉的设计和搭建成本、短的开发周期、合适的控制算法、优良的控制性能等。而科学合理的无刷直流电动机控制系统仿真模型的建立，对控制系统的直观分析、具体设计，快速检验控制算法，降低直流电机控制系统的设计成本，拥有十分重要的意义。 直流无刷电动机利用电子换向原理和高磁性材料，取代了传统的机械换相器和机械电刷，解决了有刷直流电动机换向器可维护性差和较差的可靠性的致命缺点，使得直流电动机的良好控制性能得到维持，直流电动机得到更好的应用。伴随着如今功率集成电路技术和微电子技术的发展，控制领域相继出现了大量无刷直流电动机专用驱动和控制芯片，解决高性能无刷电动机驱动控制问题所提出的解决方案也变得更加丰富和科学，无刷直流电机在控制领域显示出前所未有的广阔应用前景[1]。 通过无刷直流电动机控制系统的仿真模型来检验各种控制算法，优化整个控制系统的方法，可以在短时间内得到能够达到预期效果的控制系统。在对无刷直流电机电流滞环控制和数学模型等分析的基础之上，可以利用Simulink中所提供的各种模块，构建出BLDCM控制系统的仿真模型，从而实现只利用Simulink中的模块建立BLDCM控制系统仿真模型。通过对实例电机的仿真，可以得到各类仿真波形，从而验证了仿真模型的有效性和正确性，数学模型的有效性及控制系统的合理性也得到了验证。 1 无刷直流电机的数学模型 本文采用两相导通三相六状态的无刷直流电动机来分析无刷直流电动机的数学模型[2-3]。 无刷直流电动机的感应电动势为梯形波，电流为方波。考虑到分析的方便、无刷直流电动机的特点，该文直接利用电动机本身的相变量建立物理模型，假定：
一、研究意义 1.研究意义 由于无刷直流电机在四旋翼飞行器控制中的关键作用以及在生产实践中日益广泛的应用，设计快速且平稳的控制系统成为首要任务。目前, 基于现代控制理论的高性能异步电机调速方法主要是依靠精确的数学模型加上传统的P ID控制。PID控制实际应用效果较好，但又无法避免对负载变化的适应能力差、抗干扰能力弱和受系统参数变化影响等弱点，而且交流调速系统具有非线性、强耦合、多变量及纯滞后等特性, 很难用精确的数学模型描述, 这就使得基于精确数学模型的传统控制方法面临严重的挑战。另外, 经典P ID控制需要根据运行工况的不同而调节控制器参数, 无刷直流电机又具有数学模型复杂，非线性等特点，这给现场调试增加了难度。 2.国内外研究状况及发展 （1）无刷直流电机基本控制方法 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，无刷电机的转子上装有永磁体，定子上是电枢，与有刷电机正好是相反的。它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(V1～V6)分为上臂(V1、V3、V5)/下臂(V2、V4、V6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。电机驱动电路如图？所示。 图1 无刷直流电机的控制电路
基于MATLAB／SIMULINK的无刷直流电动机系统仿真 0引言 无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDCM），是随着电力电子技术和永磁材料的发展而逐渐成熟起来的一种新型电机。为了有效的减少控制系统的设计时间，验算各种控制算法，优化整个控制系统，有必要建立BLDCM 控制系统仿真模型。本文在BLDCM数学模型的基础上，利用MATLAB的SIMULINK和S-FUNCTION建立BLDCM的仿真模型，并通过仿真结果验证其有效性。 1无刷直流电机仿真模型 本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型，系统结构框图如图1所示。
图1 无刷直流电机控制原理框图 以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。 图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图 1.1电动机本体模块 在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号i a，i b，
i c必须首先求得三相反电动势信号e a，e b，e c，整个电动机本体模块的结果如下图3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块和位置检测模块。 图3 电机本体模块 1.反电势求取模块 本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。
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基于滑模观测器的PMSM模糊滑模控制 作者：王巍， 汪玉凤， 郭凤仪， WANG Wei， WANG Yu-feng， GUO Feng-yi 作者单位：辽宁工程技术大学,辽宁葫芦岛,125105 刊名： 微特电机 英文刊名：SMALL & SPECIAL ELECTRICAL MACHINES 年，卷(期)：2010，38(8) 被引用次数：0次 参考文献(11条) 1.Elmas https://www.doczj.com/doc/b56220305.html,tun O A hybrid controller for the speed control of a permanent magnet synchronous motor drive 2008(1) 2.沈艳霞.纪志成基于无源性永磁同步电机模糊滑模控制系统研究 2007(17) 3.Ilioudis V C.Margaris N I PMSM Sensorless Speed Estimation Based on Sliding Mode Observers 2008 4.赵德宗.张承进.郝兰英一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略 2006(22) 5.Han Y S.Choi J S.Kim Y S Sensorless PMSM Drive with a Sliding Mode Control Based Adaptive Speed and Stator Resistance Estimator 2000(5) 6.王巍.郭凤仪.侯利民滑模控制的PMSM无速度传感器最优转矩控制 2009(3) 7.Cárdenas R.Pe(n~)a R MRAS Observer for Sensorless Control of Standalone Doubly Fed Induction Generators 2005(4) 8.王庆龙.张崇巍.张兴基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识 2008(9) 9.Bianchi N.Bolognani S Advantages of Inset PM Machines for Zero-Speed Sensorless Position Detection 2008(4) 10.秦峰.贺益康.贾洪平基于转子位置自检测复合方法的永磁同步电机无传感器运行研究 2007(3) 11.Jeong Y Initial rotor position estimation of an interior permanent magnet synchronous machine using carrier frequency injection methods 2005(1) 相似文献(10条) 1.期刊论文骆再飞.蒋静坪.曹芳祥.LUO Zai-fei.JIANG Jing-ping.CAO Fan-xiang交流伺服系统的动态模糊滑模 控制策略研究-机电工程2008,25(11) 为提高永磁同步电机(PMSM)交流伺服系统的动静态性能,提出了一种动态模糊滑模控制方法.采用"距离"减少了模糊输入维数和模糊规则,减少控制器的计算量从而加快了响应速度;并利用自适应算法改善了系统性能.仿真试验表明,该方法能明显削弱抖振,提高稳态精度,并具有动态响应速度快的特点以及较强的鲁棒性. 2.期刊论文王洪斌.穆太青.高殿荣基于模糊滑模控制的永磁同步液压电机泵变速控制的研究-武汉理工大学学报 （交通科学与工程版）2010,34(1) 提出一种永磁同步液压电机泵模型,即把永磁同步电机转子作为液压泵缸体,以进一步提高液压传动的整机效率.通过控制电机转速直接调节泵的输出流量,使电机泵提供的功率与负载匹配,从根本上提高液压调速系统的效率.同时建立了该液压电机泵变速控制系统的数学模型.针对永磁同步电机非线性、多变量、强耦合的特点,将模糊和滑模控制理论运用到永磁同步电机直接转矩控制中,以提高系统的鲁棒性和快速性.对转速阶跃变化进行仿真研究,仿真结果表明该策略具有良好的鲁棒性和快速性. 3.期刊论文黄石维.周国荣.HUANG Shi-wei.ZHOU Guo-rong永磁同步电机的模糊滑模控制-机械工程与自动化 2010(1) 为了实现高性能永磁同步电动机伺服系统快速而精确的位置跟踪控制,在滑模控制策略中引入模糊控制算法,设计了基于模糊规则的滑模控制器;并通过理论分析和控制仿真,证实了模糊滑模控制很好地解决了抖振问题,对参数变化和负载扰动具有很好的鲁棒性,永磁同步电机可获得很好的位置跟踪效果. 4.学位论文刘梦溪交流伺服系统的滑模控制研究2008 随着现代化工业的不断发展，交流伺服系统在许多领域的应用日益广泛，对其性能要求也越来越高。由于交流伺服系统本质上具有非线性、多变量、参数时变的性质，因此要实现高品质的控制，对控制策略就提出了很高的要求。本文针对在交流伺服驱动系统中一些尚待解决的的控制问题将一些新的控制方法引入交流伺服系统，力求以新的控制方式和策略提高整个系统的鲁棒性。 滑模控制对系统模型不精确和外部扰动具有较强的鲁棒性，因此获得了广泛应用。但滑模控制的高频抖振现象却成为限制其应用的主要障碍。模糊控制作为利用专家知识和经验的有效方法，特别适用于复杂、非线性、时变的系统，但大多数模糊控制系统缺少保证系统性能的分析方法。将模糊控制
无刷直流电机控制系统的Proteus仿真-机械制造论文 无刷直流电机控制系统的Proteus仿真 王家豪潘玉民 （华北科技学院电子信息工程学院，河北三河101601） 【摘要】基于Proteus软件仿真平台，提出了一种对无刷直流电机(BLDCM)控制系统实现了转速闭环控制的方案。该系统以AT89S52单片机为核心，采用IR2101芯片驱动及AD1674实现速度，并利用数码动态显示转速，通过增量式PID调节对无刷直流电机实现转速闭环稳定控制。仿真结果表明该系统具有可控调速、显示直观等特点。 关键词无刷直流电机(BLDCM)；Proteus；增量式PID；闭环控制 ０引言 无刷直流电机（BLDCM）既有直流有刷电机的特性，又有交流电机无刷的优点，在快速性、可控性、可靠性、输出转矩、结构、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势，近年来得到迅速推广[1]。BLDCM是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机，与传统的直流电动机相比，它具有过载能力强，低电压特性好，启动电流小等优点。近年来在工业运用方面大有取代传统直流电动机的趋势，所以研究无刷直流电机的驱动控制技术具有重要的实际应用价值。 本设计采用增量式PID控制策略控制无刷电动机，并在Proteus平台上进行转速闭环系统仿真。搭建了无刷直流电动机转速控制系统的仿真模型，基于80C51控制核心，采用keil C51软件编写C程序。 1系统硬件组成 控制系统的硬件组成如图1所示。采用Atmel公司的AT89S52单片机为系统
控制核心、IR2101驱动的MOSFET三相桥式逆变器、无刷直流电机、A/D转换转速检测、闭环PID控制、按键检测、档位和转速显示等部分组成。 2控制系统核心及外围电路 系统核心AT89S52单片机最小系统及按键电路如图2所示。 AT89S52芯片是8位单片机，具有廉价、实用及运算快等优点，它有两个定时器，两个外部中断接口，24个I/O口，一个串行口。 单片机首先进行初始化，将显示部分（转速显示、档位显示）送显“0”然后通过中断对按键进行检测当检测到启动键按下时，系统启动，控制核心输出初始控制码，与此同时通过AD转换器读取当前的实时转速，一方面用于显示，另一方面将当前转速与设定转速送入PID控制环节然后输出下一时刻的控制码。 在本次设计中使用80C51的外部中断接口0（INT0）作按键检测（见图3），通过四个与门，当有任何一个按键按下去时tap端都会出现低电平引发中断。
无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真 摘要 舵伺服系统在航空航天领域，有着广泛应用和重要的研究价值。应用无刷直流电机作为舵系统执行器，可以增大系统输出转矩，实现系统小型化。本文基于无刷直流电机执行器，利用 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元，应用滑模变结构控制策略，实现舵机系统伺服，提高舵系统抗扰性和信号响应的快速性；并在系统中加入滑模观测器，实现对于系统内部状态量的观测，为实现无位置传感器控制提供条件本文应用无刷直流电机作为舵系统执行器，通过分析和设计滑模变结构控制算法，实现舵系统位置伺服控制，利用滑模变结构控制策略的特性，提高系统对于扰动和内部参数摄动的鲁棒性，与基于传统控制策略的伺服机构相比，系统的抗扰性得到了提高。并在系统中引入滑模观测器，利用电流、电压传感器采样相电流和相电压作为该观测器的给定量，观测出电机的速度，转子运动换相位置信号和三相反电动势波形，从而实现电机的无位置传感器控制。 本文通过分析舵伺服机构的主要结构和工作原理，根据实际系统技术要求，设计出基于电动伺服系统的数字控制器。利用 DSP 强大的数据处理能力和 FPGA 并行运算能力，实现设计的控制算法，提高舵系统的性能。通过 MATLAB 中 Simulink 环境下构建理想系统模型，应用滑模控制算法，进行模型仿真。通过系统仿真分析，设计出满足离散系统的滑模控制器参数。通过 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元实现滑模变结构控制算法，应用于舵伺服系统中[1]。最后，通过完成整体硬件与软件平台设计，实现对舵伺服系统的控制。通过仿真和实验结果分析，验证了滑模控制具有强鲁棒性和抗扰性，满足舵系统对于快速性和抗扰性的技术要求，提高了系统 整体控制性能。 关键字：滑模控制；滑模观测器；无刷直流电机；舵伺服系统；DSP+FPGA
滑模控制方法 1 / 4 滑模控制与智能计算 1.1 滑模控制与智能计算[1][2] 1.1.1 滑模控制基本理论 SMC 由前苏联V.I.Utkin 和S.V.Emlyanov 教授在20世纪50年代末期提出，其为一种特殊的变结构控制。 对于如下MIMO-SMC 系统 (0-1) 其中为系统状态矢量，为控制输入，表示影响控制系统性能的所有因素，如扰动和系统参数不确定性。若 ，那么存在控制使得，也即扰动满足匹配条件，此时SMC 对MIMO 仍然具备不变性特点。 SMC 的设计流程主要包括两步（设计SMC 的两个主要阶段）：（1）趋近阶段：系统状态在有限时间内由任意初始状态趋近switching manifold ；（2）滑模阶段：系统状态在switching manifold 上作滑模运动，也即switching manifold 成为吸引子。那么SMC 的两个主要设计步骤为switching manifold 设计和不连续控制律设计，前者选取switching manifold 以满足期望的动态特征，一般可选取为线性超平面，后者通过设计不连续控制以保证switching manifold 有限时间可达，该控制器为局部或全局的，取决于特殊的控制需求。 对于系统(0-1)，依据SMC 的主要设计步骤，switching manifold 可表示为 ， 其中 为由系统动态特性要求决定的m-维矢量。 SMC 控制律 控制结构如下 (0-2) 其中 根据SMC 理论，当sliding mode occurs 等效控制律可推导如下 (0-3) 不失一般性，假设非奇异。一般而言，存在虚拟控制可使滑模 ，那么可得 (0-4)
目录 1 前言 (1) 1.1 无刷直流电机的发展 (1) 1.2 无刷直流电机的优越性 (1) 1.3 无刷直流电机的应用 (2) 1.4 无刷直流电机调速系统的研究现状和未来发展 (2) 2 无刷直流电机的原理 (4) 2.1 三相无刷直流电动机的基本组成 (4) 2.2 无刷直流电机的基本工作过程 (5) 2.3 无刷直流电动机本体 (6) 2.3.1 电动机定子 (6) 2.3.2 电动机转子 (7) 2.3.3 有关电机本体设计的问题 (8) 3 转子位置检测 (9) 3.1 位置传感器检测法 (9) 3.2 无位置传感器检测法 (10) 4 系统方案设计 (12) 4.1 系统设计要求 (12) 4.1.1 系统总体框架 (12) 4.2 主电路供电方案选择 (13) 4.3 无刷直流电机电子换相器 (14)
4.3.1 三相半控电路 (14) 4.3.2 三相全控电路 (15) 4.4 无刷直流电机的基本方程 (16) 4.5 逆变电路的选择 (19) 4.6 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统 (19) 4.6.1 MC33035无刷直流电动机控制芯片 (19) 4.6.2 基于MC33035的无刷直流电动机调速系统设计 (21) 5 无刷直流电机调速系统的MATLAB仿真 (23) 5.1 电源、逆变桥和无刷直流电机模型 (24) 5.2 换相逻辑控制模块 (25) 5.3 PWM调制技术 (30) 5.3.1 等脉宽PWM法 (32) 5.3.2 SPWM(Sinusoidal PWM)法 (32) 5.4 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计 (32) 5.5 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 (34) 5.5.1 起动，阶跃负载仿真 (34) 5.5.2 可逆调速仿真 (36) 6 总结和体会 (38)
1、引言 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“正弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图1 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 2、无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。
无刷直流电机仿真 学号：2110903073 姓名：方浩 1 无刷直流电机仿真模型 本文在MATLAB的SIMULINK的环境下，利用其丰富的模块库，在分析BLDCM数学模型的基础上，建立BLDCM控制系统仿真模型，系统结构框图如图1所示。 图1 无刷直流电机控制原理框图 以图1为基础，按照模块化建模的思想搭建的系统的仿真模型如图2所示。整个控制系统主要包括电动机本体模块、逆变器模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。 图2 无刷直流电机控制系统仿真模型框图 1.1 在整个控制系统的仿真模型中，BLDCM本体模块是最重要的部分，该模块
根据BLDCM电压方程求取BLDCM三相相电流，而要获得三相相电流信号i，i，ab i必须首先求得三相反电动势信号e，e，e，整个电动机本体模块的结果如下图cabc 3所示。电机本体模块包括反动电势求取模块，中性点求取模块，转矩计算模块 和位置检测模块。 图3 电机本体模块 1. 反电势求取模块 本文直接采用了SIMULINK中的Lookup Table模块，运用分段线性化的思想，直观的实现了梯形波反电动势的模拟，具体实现如图4所示。
图 4 反电势求取模块 Lookup Table模块的实质是通过查表构造反电动势波形，只要把360?内的反电动势的单位波形预先输入至Lookup Table模块中，就能得到其单位理想波形，由前面的数学模型知道，反电势梯形波的幅值为：e=Ke*ω。其中Ke为电机的反电动势系数。具体的Lookup Table参数设置参照下表 1。 表 1 位置信号和单位反电动势的关系 0 60 120 180 240 300 360 位置 A 1 1 1 -1 -1 -1 1 B -1 -1 1 1 1 -1 -1 C 1 -1 -1 -1 1 1 1 2. 转矩计算模块 依据数学模型建立转矩计算模型如图5所示。
第24卷第3期2007年6月 控制理论与应用 Control Theory&Applications V ol.24No.3 Jun.2007滑模变结构控制理论及其算法研究与进展 刘金琨1,孙富春2 (1.北京航空航天大学自动化与电气工程学院,北京100083;2.清华大学智能技术与系统国家重点实验室,北京100084) 摘要:针对近年来滑模变结构控制的发展状况,将滑模变结构控制分为18个研究方向,即滑模控制的消除抖振问题、准滑动模态控制、基于趋近律的滑模控制、离散系统滑模控制、自适应滑模控制、非匹配不确定性系统滑模控制、时滞系统滑模控制、非线性系统滑模控制、Terminal滑模控制、全鲁棒滑模控制、滑模观测器、神经网络滑模控制、模糊滑模控制、动态滑模控制、积分滑模控制和随机系统的滑模控制等.对每个方向的研究状况进行了分析和说明.最后对滑模控制的未来发展作了几点展望. 关键词:滑模控制;鲁棒控制;抖振 中图分类号:TP273文献标识码:A Research and development on theory and algorithms of sliding mode control LIU Jin-kun1,SUN Fu-chun2 (1.School of Automation Science&Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,China; 2.State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems,Tsinghua University,Beijing100084,China) Abstract:According to the development of sliding mode control(SMC)in recent years,the SMC domain is character-ized by eighteen directions.These directions are chattering free of SMC,quasi SMC,trending law SMC,discrete SMC, adaptive SMC,SMC for mismatched uncertain systems,SMC for nonlinear systems,time-delay SMC,terminal SMC, global robust SMC,sliding mode observer,neural SMC,fuzzy SMC,dynamic SMC,integral SMC and SMC for stochastic systems,etc.The evolution of each direction is introduced and analyzed.Finally,further research directions are discussed in detail. Key words:sliding mode control;robust control;chattering 文章编号：1000?8152(2007)03?0407?12 1引言(Introduction) 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动.由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识,物理实现简单等优点.该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越,从而产生颤动. 滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了50余年的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一般的设计方法.以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了3个发展阶段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的变结构控制;20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段,研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来,随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展,变结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段,所研究的对象已涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力学系统等众多复杂系统,同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中. 2滑模变结构控制理论研究进展(Develop-ment for SMC) 2.1消除滑模变结构控制抖振的方法研 究(Research on chattering elimination of SMC) 2.1.1滑模变结构控制的抖振问题(Problems of SMC chattering) 从理论角度,在一定意义上,由于滑动模态可以 收稿日期:2005?10?19;收修改稿日期:2006?02?23. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60474025,90405017).
什么是矢量控制？它有什么优点？ 你希望在你的新产品中使用无刷伺服电机吗？平时，我们可能也常碰到一些关键词，例如“梯形波式”，“弦波式”和“矢量控制”。只有当你了解了他们的真正含义，才能在你的新设计中选择正确的产品。 在过去的十年甚至二十年中，伺服电机市场已经从有刷伺服转变成无刷伺服的市场，这主要是由无刷伺服的低维修率和高稳定性所决定的。在这十几年中，驱动部分在电路和系统方面的技术已发展的非常完善。控制方式也已经完全可以实现那些关键词所描述的功能。 大部分的高性能的伺服系统都采用一个内部控制环来控制力矩。这个内部的力矩环通过和外部的速度环和位置环的配合以达到不同的控制效果。外部控制环的设计是与匹配的电机没有关系的，而内部的力矩环的设计则与所匹配的电机的性能息息相关。 有刷电机的力矩控制是非常简单的，因为有刷电机自身可完成换相工作。所输出的力矩是和有刷电机两极输入的直流电压成正比的。力矩也可通过P-I控制回路轻松地得到控制。P-I 控制回路的主要功能就是通过检测电机实际电流和控制电流之间的偏差，实时地调整电机的输入电压。 图一 由于无刷电机自身没有换相功能，所以相对应的控制方式就比较复杂。无刷电机有三组线圈，有别于有刷电机的两组线圈。为了获得有效的力矩，无刷电机的三组线圈必须根据转子的实际位置进行相互独立的控制。这种驱动方式就充分地说明了对无刷电机控制的复杂性。 无刷电机基础 简单来说，无刷电机主要由旋转的永磁体（转子）和三组均匀分布的线圈（定子）组成，线圈包围着定子被固定在外部。电流流经线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成一个矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流大小，我们可以使定子产生任意方向和大小的磁场。同时，通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。
毕业设计 学生姓名： Zang Wenbo 学号： 090803207 学院：电气工程学院 专业：测控技术与仪器 题目：切换系统滑模控制设计 指导教师： 评阅教师： 2013年6月
河北科技大学毕业设计成绩评定表 姓名学号成绩 专业测控技术与仪器 题目切换系统滑模控制设计 指 导 教 师 评 语 及 成 绩指导教师： 年月日评 阅 教 师 评 语 及成绩评阅教师： 年月日 答辩小组评语 及成绩答辩小组组长： 年月日 答辩委员 会意见学院答辩委员会主任： 年月日 注：该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。
毕业设计中文摘要 切换系统是按某种切换规则在各子系统之间切换的混杂系统，是混杂系统理论与应用研究中非常活跃的一个分支。切换系统滑模控制问题是现代非线性系统控制中的一个重要课题，在过去的几十年中得到了广泛的关注，而且已被成功用于大量实际系统。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的结构并不固定。它可以在动态过程中，根据系统当前的实时状态来对其进行控制，从而达到预定的控制目的。具有响应速度快，对参数摄动不敏感、鲁棒性能好等优点。许多实际系统本身具有切换的特性，例如含有继电、饱和、滞环等环节的被控对象以及工业上常见的多液罐系统。此类系统适宜用切换系统来进行建模分析，并设计相应的切换控制器来对其进行控制。 本论文通过对切换系统滑模控制的基本理论知识及/ Matlab Simulink软件的学习，主要分为四章：第一章介绍了切换系统滑模控制的基本的发展过程；第二章介绍了基本的切换系统滑模控制的相关理论；第三章介绍了如何对切换系统进行观测器的设计，并给出了用/ Matlab Simulink软件进行的具体实例仿真；第四章介绍了如何对简单的切换系统进行滑模控制设计，同时也给出了用/ Matlab Simulink软件进行的具体实例仿真,得到仿真曲线，验证控制器的控制性能，完成了对切换系统的控制器的设计。 关键词切换系统滑膜控制
1 引言 无刷直流电机最本质的特征就是没有机械换向器与电刷所构成的机械接触式换 向机构。现在,无刷直流电机定义有俩种:一种就是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机,而正弦波直流电机则被认为就是永磁同步电机。另一种就是方波/梯形波直流电机与正弦波直流电机都就是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体,带转子位置信号,通过电子换相控制的自同步旋转电机”,其换相电路可以就是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义,把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始,由于人们生活水平的不断提高与现代化生产、办公自动化的发展,家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展,电机作为设备的重要组成部分,必须具有精度高、速度快、效率高等优点,因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1、1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机就是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代,第一台直流电动机研制成功,经过70多年不断的发展,直流电机进入成熟阶段,并且运用广泛。 1955年,美国的D、Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利,形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初,霍尔元件等位置传感器与电子换向线路的发现,标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初,德国人Blaschke提出矢量控制理论,无刷直流电机的性能控制水 平得到进一步的提高,极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年,在北京举办的德国金属加工设备展览会上,西门子与博世两公司展出了永磁自同步伺服系统与驱动器,引起了我国有关学者的注意,自此我国开始了研制与开发电机控制系统与驱动的热潮。目前,我国无刷直流电机的系列产品越来越多,形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展,无刷直流电机发展的初期,由于大功率开关器件的发展处于初级阶段,性能差,价格贵,而且受永磁材料与驱动 控制技术的约束,这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内,都停留在实验阶段,无法推广到实际中使用,1970年以后,半导体的快速发展,许多新型的全控型半导体功率
基于Proteus的无刷电机系统仿真研究 作者：王伟石欢欢刘海强时洋洋 来源：《电子技术与软件工程》2017年第16期 摘要 本文介绍了无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）的工作原理，分析了其换相逻辑，对电机系统在Proteus环境下进行了建模和调试，在此基础上对电机开环系统的工作性能进行了仿真和分析，并着重设计和实现了基于Arduino单片机的转速闭环系统。通过仿真结果，验证了该电机具有良好性能，控制系统设计合理，具有可行性。 【关键词】无刷直流电机 Proteus PID算法 目前，工业上常用的电力拖动系统包括同步电动机、异步电动机、有刷直流电动机、无刷直流电动机等，其中交流机占主导地位，特别是异步电动机。但在有些领域上，异步电动机暴露了其自身功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差等缺点。因此在调速性能要求较高的大型设备如乳钢机，都采用有刷直流电动机拖动，但其存在着直流换向问题，结构复杂且不方便维护维修。近年来无刷直流电动机及其控制技术发展迅猛，有效地解决了有刷直流电机的主要缺陷。无刷直流电动机取消了普通直流电电机的滑环、碳刷结构，绕组多采用三相星形接法，转子为永磁体，并具有检测转子位置的霍尔传感器。电机具有直流电动机的所有优点，并具有体积小、重量轻、出力大、结构简单、响应快、启动转矩大、转矩恒定等诸多优点。因此，BLDCM以其卓越性能，在越来越多的拖动和伺服控制场合替代现有的直流调速电机、变频电机、以及异步电机等，成为性价比最高的选择。 Proteus是英国Labbcenter公司开发的电路分析与仿真软件，可以分析各种模拟器件和集成电路，具有模拟电路、数字电路仿真、单片机及外围电路仿真功能。 1 BLDCM工作原理 无刷直流电动机作为一种典型机电一体化产品，由电机本体、逆变电路、控制器、及位置传感器组成的电动机系统。控制器通过对位置传感器检测出的转子磁极位置信号进行逻辑整合后可以得到逆变电路各功率开关管相应的触发信号，从而使电源功率按逻辑分配给各相定子绕组，电机产生顺向电磁转矩。 无刷直流电机本体结构如图1所示。 每次换相过程中，电机三相绕组中会有一相绕组接电源正，另一相绕组接负，第三相绕组失电，绕组电流从接正端流入，接负端流出。通电的定子绕组会产生磁场，该磁场与转子永磁体互相作用会产生电磁转矩。理想状态下，电磁转矩峰值出现两个磁场正交时，而在两磁