基于前馈控制的BLDCM滑模变结构调速系统_

基于前馈控制的BLDCM滑模变结构调速系统
   摘要滑模控制能够有效地提高系统的鲁棒性，但为减小滑模控制系统抖振，引入等效控制理论，在滑模控制器输出端串入一个积分器，导致系统的响应速度较慢。为了提高滑模控制器的快速性，本文将滑模控制与前馈控制相结合，构成前馈滑模控制器，不仅补偿了控制器输出端积分环节的影响、提高了系统的快速性和抗扰能力，而且保留了传统滑模控制简单、鲁棒性好等特点。Matlab仿真表明，新型滑模控制器控制下的无刷直流电机调速系统超调量小、鲁棒性好、速度响应较快。文中还利用DSP来搭建实验平台，验证了控制器的有效性。
   1  引言
   永磁无刷直流电机（BLDCM）不仅结构简单、运行可靠、维护方便；而且具有较高的运行效率和较好的调速性能，因此在工业领域中得到了广泛的应用。
   由于无刷直流电机调速系统易受系统参数的变化的影响。因此，难以采用PID方法实现高性能控制。而模糊控制、自适应控制、神经网络控制复杂，实现繁琐，对硬件要求较高。为了对系统进行有效的控制，减小控制难度，需要寻求一种新的控制方法。
   诞生于20世纪50年代的滑模变结构控制，对系统模型要求不高，且具有较强抗扰能力和自适应性。相对于其他现代控制方法，滑模控制实现简单，对硬件要求较低。近年来，滑模控制的研究取得了一定的进展，并在几种不同的电机控制系统中得到了应用。文献[1-5]分别介绍了滑模控制在永磁同步电机控制系统及开关磁阻电机调速系统中的应用；文献[6-10]分别介绍了应用于无刷直流电机控制系统的滑模控制器；文献[6]研究了几种用于无刷直流电机调速系统的滑模控制器结构，并对它们分别进行了仿真；文献[7]阐述了滑模控制在无位置传感器无刷直流电机控制系统中的应用；文献[8]将模糊控制与滑模控制相结合，有效减小了系统抖振；文献[9]介绍了一种用于无刷直流电机控制系统的全局滑模控制器；文献[10]在滑模控制中引入了一种新型的转矩观测器，减小了控制系统的误差。但上述文献中所设计的滑模控制器，大多控制较复杂，实时性有待改进。
   传统滑模控制器控制简单，但由于控制器输出端的积分作用，响应速度较慢，为了改善系统的动态响应，本文引入前馈环节改进了传统滑模控制器，即当系统转速误差大于一定值时，在传统滑模控制器的输出中补偿关于滑模线k倍的积分项（k＞0）；当系统转速误差小于一定值时，控制器输出与传统的相同，有效地提高了系统的快速性。该方法实现简单，对硬件要求较低。通过仿真和实验，验证了系统的控制性能。
   2  系统滑模控制器的设计
   滑模控制器不仅控制方法简单，而且其设计也较一般控制器方便。利用无刷直流电机数学模型，即可对无刷直流电机调速系统的滑模控制器进行设计。

   前馈滑模控制系统的相轨迹如图1c所示。在前馈滑模控制系统中，当转速误差大于B时，前馈环节作用于系统，系统在相平面内沿轨迹AC迅速运动，当滑过C点后，系统转速误差小于B，前馈作用撤消，系统沿轨迹CD滑向D点，并在D点开始进入滑模态，直至滑到O点并停留在O点作振荡。同样，前馈滑模控制相轨迹中的轨迹ACD段，在时域中是电机转速快速上升的过程，即图1d中的轨迹ACD。与传统滑模控制相比，在AC段内时，由于前馈环节的补偿作用，电机的转速变化率较大，电机转速上升较快，即图1d中的AC段，当过C点后，电机转速误差小于B，前馈作用撤消，由于撤去前馈作用后，电机仍保持了较大的速度变化率，所以电机转速上升仍比较快，即图1d中的CD段。而当系统在DO段轨迹中运行时，系统进入滑模态运动，电机转速按指数曲线的形式缓慢趋向给定转速，即图1d中的DO1段。
   传统滑模控制器与前馈滑模控制器在相平面上对比如图1e所示，在时域上对比如图1f所示，其中实线为传统滑模控制器，虚线为前馈滑模控制器控制。由图1e可知，系统在两种滑模控制器分别作用下，在E点之前，前馈滑模控制器控制下的电机具有较大的转速变化率，因此，E点之前的运动，前馈滑模控制器控制下的系统所耗时间较短；而在E点之后，两种滑模控制器控制下的系统均已进入滑模运动，两者运动轨迹近似相同，所以两者在此过程中所耗时间基本相等。因此，前馈滑模控制器控制下的系统响应时间较短，具有较好的快速性。
   4  仿真研究
   本系统采用Matlab 6.5进行建模与仿真。系统控制框图如图2所示，滑模控制器部分的仿真结构如图3所示，其中图3a为传统滑模控制器，图3b为前馈滑模控制器，图中点划线框所示部分为前馈控制环节。

图4a与4b为前馈滑模控制器与传统PI控制器控制下的系统在不同给定转速下的速度响应对比仿真曲线。通过系统速度响应仿真可知，前馈滑模控制器与传统的PI控制器相比，在系统响应上具有较小的超调量。这说明本文所设计的前馈滑模控制器具有较好的抑制超调的能力。
图4c和4d为在给定转速不同时前馈滑模控制器与传统滑模控制器控制下的系统速度响应对比仿真曲线。通过该组曲线对比，可以发现，前馈滑模控制器在响应速度上比传统滑模控制器快。

   由图5可知，在电机相电阻改变的情况下，转速响应曲线无明显变化，这表明前馈滑模控制器对系统参数变化不敏感，具有较好的鲁棒性。
   5  实验研究
   本文采用TMS320LF2407A DSP芯片作为核心构建实验平台，并进行电动实验，实验结果如图6所示。
   通过实验可知，PI控制器控制下的系统，在速度响应上存在一定的超调，而传统滑模控制器和前馈滑模控制器控制下的系统略有超调。从图6中可以看出，PI系统的调节时间在给定转速为300r/min时为600ms，在给定转速1000r/min时为760ms，传统滑模在给定转速300r/min时为800ms，在给定转速1000r/min时为1.5s，而前馈滑模控制器的调节时间在给定转速为300r/min时为400ms，在给定转速为1000r/min时为650ms。可见，与传统滑模控制相比，前馈滑模控制器的响应速度更快。
   本文通过在电机三相绕组中分别串接250mΩ的电阻来进行改变电机相电阻的速度响应实验，其实验结果如图7所示。当电机各相串入电阻后，电机的参数发生变化，但由于前馈滑模控制对系统参数变化不敏感，前馈滑模控器的控制效果基本不受电机参数变化的影响，因此，前馈滑模控制下的电机在串入电阻前后的转速波形无明显变化，系统具有较好的鲁棒性。

6 结论
本文通过引入前馈控制，补偿了传统滑模控制器积分环节对BLDCM系统动态特性的影响，设计了用于BLDCM调速系统的前馈滑模速度调节器，该调节器不仅能够较好地抑制系统超调，具有较好的鲁棒性，而且响应速度快，实现简单，对系统硬件要求较低。仿真及实验均验证了该控制器的控制效果。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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