无刷直流电机脉宽调制抗饱和PI速度控制器建模与仿真

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）1无刷直流电机快速响应抗饱和PI速度控制器的建模、仿真及DSPMohdT ariqa，b，Mohd，T. K.Bhattacharyab， Nidhi Varshne ya， Dhilsha Rajapanaa印度政府地球科学部国家海洋技术研究所，Chennai 600100，印度b印度理工学院电气工程系，Kharagpur 721302，印度接收日期：2014年9月26日;接收日期：2015年11月11日;接受日期：2015年11月22日2016年3月18日在线发布摘要无刷直流电动机的驱动大多采用比例积分微分（PID）控制器和脉宽调制（PWM）方案进行速度控制。因此，BLDC电机驱动具有强饱和特性。饱和导致典型的饱和现象。提出了一种无刷直流电动机的抗饱和驱动方法本文采用了一种抗饱和控制器（AWC）在MATLAB/Simulink中对AWC进行了建模，并在不同的起动负载下对常规PI控制器和AWC的BLDC电机驱动器的动态特性进行了研究，结果提出和讨论本文的详细。基于DSP的仿真结果的实验验证的细节也在这里。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：无刷直流电机;脉宽调制;抗饱和; MATLAB/Simulink; DSP1. 介绍BLDC电机速度控制在现代电机控制中起着重要作用（Venkatratnam，2009;Darba等人， 2015年）。BLDC电机具有梯形反电动势，并且需要矩形定子电流来产生恒定的电转矩。然而，由于相电感和有限的逆变器电压，在实践中不能实现理想的矩形电流形状（Krishnan，2001; Tariq等人，2013; Tariq and Varshney，2014）. 为了保持流入电机的实际电流尽可能接近矩形参考值，使用磁滞或PWM电流控制器（Krishnan，2010; Miller，1989）。在文献中，双闭环速度控制是常见的。 外环用于速度，而内环用于电流或转矩控制（Lajoie-Mazenc等人，1985; Bose，2006; Son等人，*通讯作者。现住址：新加坡南洋理工大学电气和电子工程学院。联系电话：+65 81756406。电子邮件地址：tariq. gmail.com（M. 塔里克）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.11.0082314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。2M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1吉夫=B0米简体中文B拉吉吉+⎥2015年）。PID控制是线性控制系统中发展最快的控制策略之一，至今仍广泛应用于工业控制系统中。PID控制由于其简单性，鲁棒性和易于调整的参数而非常受欢迎（Gopal，2003;Tariq和Iqbal，2014;Tariq和Yuvarajan，2013）。由于无刷直流电动机是一个多变量非线性系统，许多其他问题需要进一步解决采用PID控制和PWM方案的无刷直流电机驱动器具有强饱和特性，导致饱和现象。这是一种情况，其中设定点发生大的变化，并且在上升期间，积分项必须存储（累积）大的误差。显著误差的累积导致过冲，并且随着累积误差仅以相反方向上的误差的偏移展开，因此，过冲和稳定时间是与典型PID控制器相关的特定问题。为此，已使用抗饱和PI控制器代替PI控制器。在文献中，已经讨论了许多类型的AWC。Bohn等人的论文讨论了以下四种类型的AWC，条件积分，有限积分，跟踪Antiwindup和修改的跟踪Antiwindup（Bohn和Atherton，1995）。 Hodel等人提出了一种新的防止PID控制器积分饱和的变结构（切换）方法他们在连续时间和离散时间中实现了它（Hodel和Hall，2001）。Zhang等人提出并实现了随机Antiwindup PI控制器（Zhang等人，2006年）。整体箝位AWC由于其简单性而在所有方法中被发现是常见的且最常用的（Xia，2012; Ming等人， 2015年）。抗饱和方法已用于感应电机和永磁同步电机控制（Mishra，2014）。对于感应电动机驱动，已详细介绍了由脉宽调制电压源逆变器驱动的矢量控制感应电动机的速度控制的实验应用（Shin，1998）。提出了一种新型的AWC用于表面贴装式永磁电机弱磁控制中的电流调节新的AWC更有效地利用直流链路电压，从而使电机在相同的电压和电流限制下产生比传统AWC方法更高的输出扭矩（Kwon和Sul，2005年）。以往的控制方案的研究和开发对无刷直流电机驱动系统的研究做出了很大的贡献，但目前还没有一种全面的方法利用TMS320F2808硬件实验装置对Anti windup PI控制的无刷直流电机驱动系统进行建模和分析。AWC可以很容易地实现，因为不需要额外的硬件。在本文中，建模，仿真和实验结果，并详细讨论，以确保AWC无刷直流电机驱动器的有效性和性能。本文的组织如下：第2节详细讨论了系统的完整建模。第3节介绍了系统的模拟细节。第四节介绍了饱和现象，并讨论了消除饱和现象的AWC。实验设置见第5节。模拟和实验设置的结果在第6节中详细介绍和讨论。最后，第7节对本文进行了总结。2. 系统建模无刷直流电机的数学模型是其性能分析和控制系统设计的基础。本节介绍了常用的数学模型，即微分方程模型。BLDC电机具有三个定子绕组和一个永磁转子。由于磁体和不锈钢的高电阻率，转子感应电流可以忽略不计未对阻尼器绕组进行建模。对于对称绕组和平衡系统，电机绕组两端的电压方程如下：阿吉夫BS你知道吗，我是说，SD你好B（一）vcs1000Rs⎦ ⎣ic⎦dtLcaLcbLcc⎦ ⎣ic⎦ecLaa=Lbb=Lcc=LLab= Lba= Lac= Lca= Lbc= Lcb= MBALBBLBCM. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）13DD=+3吉夫=0米++⎥吉夫=0米联系我们0L−M0阿吉吉+- 是的（四）C23B（二）B其中L是自感，M是互感。阿吉夫BS你好，我是说，SBB你好vcs1000Rs⎦ ⎣ic⎦DT M MLicec对于三相星形绕组电动机，ia+ib+ic=0（3）阿吉夫BSRs00SB我的朋友B你好vcs1000Rs⎦ ⎣ic⎦0 0L−Micec电磁转矩给出为：Te a i a+e b i b +ecicaωm（N m）（五）其中，ωm是角机械速度（单位：弧度/秒）;ea、eb、ec是相位a、b和c的反电动势分别为A相、B相和C相的电流。J=Jm+Jl（6）JdwmBwdtm=（Te-T1）（7）其中J是转动惯量，Jm是电机的转动惯量，Jl是负载的转动惯量;B是阻尼常数，Te是电转矩，Tl是负载转矩。dθr pDT =2瓦米（8）式中，P是电机中的极数，θr是角旋转。Keea=2 wmF（θ）（9）Keeb=2 wmKee=wF.θ−2πθ（10）F.θ−4π（11）函数F（θ）给出反电动势的梯形波形该函数的一个周期可以写成等式（1）中给出（12）如图所示。1.一、MDT4M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1..ΣF（θ）=.π335π .33.（十二）1 0<θ2π36 2π2π. 1 −θ −<θ <π。. -1π<θ <3。. -1+6。θ+5π< $5π<θ<2 π。πM. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1510.50-0.50-1-1.550100 150 200 250 300 350 400 450Theta1.5Fig. 1.产生梯形反电势波形的函数。3. MATLAB/Simulink中的仿真本节介绍了BLDC电机驱动器的MATLAB/Simulink实现 图 2描述了BLDC电机驱动器的基本构建块。该驱动器由抗饱和速度控制器（快速响应控制器），磁滞电流控制器，霍尔传感器，电机和基于IGBT的电压源逆变器（VSI）组成将电机转速与参考值进行比较，并将误差交给AWC进行修正。控制器的输出被认为是参考转矩。参考电流由参考扭矩产生，因为电流与扭矩成正比然后将参考电流与实际电流进行比较，滞后带为10%。滞后控制器的输出被提供给AND逻辑，在那里它与IGBT的开关信号进行因此，生成开关命令以驱动逆变器开关。滞环电流控制器用于产生逆变器IGBT的开关信号。滞环带PWM基本上是PWM的瞬时反馈电流控制方法，其中实际电流在滞环带内连续跟踪参考电流当电流超过上限时，开关信号将为零（低），以便电流可以降低。并且当电流超过下限时，开关信号将为1（高），使得电流可以增加。霍尔传感器开关提供数字脉冲，可解码为所需的三相开关序列。解码的逻辑如表1所示，如图1所示。 六、4. 积分箝位抗饱和PI控制器图3所示的简单积分器箝位抗饱和PI控制器用于BLDC电机的速度控制。DC源IGBT逆变器无刷直流电机实际电流滞环电流控制和逻辑用于产生开关信号的解码电路霍尔传感器参考电流反饱和控制器参考速度测速图二. BLDC电机驱动器框图。F（Theta6M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1表1从霍尔传感器信号生成开关序列。霍尔传感器信号IGBT开关H1H2H3S1（a+）S2（a−）S3（b+）S4（b−）中五（c+）S6（c−）100100100101000110001010010011011000010001001110100001它有一个开关，用于选择（或箝位）积分器增益。比较了限流器的输出和输入如果输入和输出相等，则意味着控制器已经饱和，积分器动作必须关闭。类似地，还比较误差和受控输出，如果它们的值相反，则必须关闭积分器。借助此逻辑，我们可以避免过冲并缩短建立时间。控制器的相应变结构控制律为H=K，即如果E. Cn>0，Cn=/Cs（13）H=0，如果 e. Cn 0， Cn= Cs（14）<其中H=积分器模块的输入;e=速度误差; Cn =受控输出（限流器之前），Cs =受控输出（限流器之后）。图 2和3在Simulink中实现，并在PI和Antiwindup PI控制器之间进行了比较研究。 比较结果示于图1A和1B中。 7比12 结果进一步列于表3中。5. 实验验证本节将讨论用于BLDC电机驱动的抗饱和PI控制器的硬件实现。实验结果验证了速度控制的仿真结果。用于实验以及模拟的电机参数在表2中给出。基于来自霍尔传感器的信息产生换向脉冲，并且通过Texas Instrumentation DSP板（TMS320F2008）获取信息。采用基于IGBT的三相智能功率采用霍尔效应电流传感器测量直流环节电流，实现滞环电流控制器。为了计算速度，霍尔传感器信号被提供给F到V转换器LM 2907。记录并讨论了LM 2907的输出示出了实验装置的简单框图图三.一种简单的积分箝位抗饱和PI控制器。M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）17IGBT逆变DC源BLDC电机PMDC发生器电流传感器和信号调理器霍尔传感变阻器光耦PCDSP板F到V转换器示波器表2BLDC电机的额定值。额定功率500 W回路数16相数3类型的连接明星直流电压（Vs）24 V额定电流（I）25 A额定转速2500 rpm额定转矩1.9 N m电阻/相位0.3▲自感2.5 mH互感惯性矩1.2 mH1271× 10−7 kg m/s2见图4。实验装置的简单结构图。在图4和图5中示出了实验装置的快照。实验结果显示和讨论图。 十四比十九6. 结果和讨论在本节中显示并讨论了具有PI和Antiwindup PI控制器的无刷直流电动机在不同起动负载下的速度调节性能电动机满额定负载为25 A。 图图6示出了通过对霍尔传感器信号进行解码而生成的六个IGBT脉冲，如表1所示。图五.实验装置的快照。8M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1见图6。用于3桥臂逆变器的IGBT开关信号。见图7。 0%负载启动时的速度响应。在图7中，将结果与无负载条件进行了比较。使用PI控制器的超调量为275 rpm，建立时间为0.2 s，而使用Antiwindup PI控制器的超调量只有75 rpm，建立时间只有0.07 s。在图8中，将结果与30%负载条件进行了比较。使用PI控制器的超调量为225 rpm，建立时间为0.1 s，而使用Antiwindup PI控制器的超调量为0%，建立时间仅为0.05 s。见图8。 30%负载启动时的速度响应。M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）19常规PI控制器，过冲175 RPM（11.7%）建立时间= 0.1秒抗饱和PI控制器，过冲0RPM（0%）建立时间= 0.07秒常规PI控制器，过冲25 RPM（1.7%），建立时间= 0.6秒抗饱和PI控制器，过冲0 RPM（0%），建立时间= 0.1秒1700PI和AWC在50%负载16001500140013001200110010000 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2以秒为单位的见图9。 50%负载启动时的速度响应。1600100%负载时PI和AWC的速度响应（满载启动）1500140013001200110010000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7以秒为单位的见图10。100%负载启动时的速度响应。在图9中，比较了50%负载条件下的结果。使用PI控制器，超调为175 rpm，建立时间为0.1 s，而使用Antiwindup PI控制器，同样没有超调，建立时间仅为0.06 s。在图10中，对100%负载条件下的结果进行了比较。使用PI控制器，超调量为25 rpm，建立时间为0.6 s，而使用Antiwindup PI控制器，同样没有超调量，建立时间仅为0.1 s。从这些图中可以看出，抗饱和PI控制器具有较好的抗干扰能力，超调量小，系统的调节时间短，并能提高速度响应能力。 此外，在Fig. 图11和图12给出了PI和AWC的速度响应，以显示不同负载下的变化。PI和Antiwindup PI控制器在不同启动负载下的比较也如表3所示。 这可以从表中以及从图中看出。 12，对于Antiwindup PI控制器，在30%、50%时超调为零表3PI和Antiwindup PI控制器在不同启动负载下的比较启动时的负载（额定负载的%）PI控制器Antiwindup PI控制器过冲（rpm）过冲（额定值的%）稳定时间（s）过冲（rpm）过冲（额定值的%）稳定时间（s）027518.30.2755.00.073021014.00.100.00.055017511.70.100.00.06100251.70.600.00.1转速（RPM）转速（RPM）10M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1见图11。采用PI控制器实现不同负载下的速度响应。见图12。使用Antiwindup控制器在不同负载下的速度响应。和100%额定负载。在0%、30%和50%额定负载下，Antiwindup控制器的建立时间也减少了近40利用MATLAB的目标支持包和TMS320F2008进行了实验所获得的结果示于图1A和1B中。第14 -19章在这里讨论从图中可以看出，实验结果验证了仿真结果。图13示出了所使用的IGBT逆变器的电路。从DSP板的数字输出获取的开关脉冲如图14所示，用于A相的顶部开关（Q1）和B相的底部开关（Q6）。图十三.三相IGBT逆变器（操作120° C导通模式。）M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）111×图十四岁开关脉冲至IGBT逆变器（至Q1（Vap）和Q6（Vbn）开关）。从图中可以看出。在图14中，开关脉冲具有可变的ON周期，因为它是由滞后电流控制器产生的。当电流超过额定值的10%时， IGBT开关断开。当电流小于额定值10%以上时，IGBT开关导通。对于示波器中的记录速度，使用F到V转换器霍尔传感器A信号提供给F到V转换器。由于无刷直流电机有16个极，所以霍尔传感器A信号的频率将是转子旋转频率的8倍。电动机的速度由关系式N= 120f/P给出，其中f是机械频率。仿真结果与实验结果的比较如图1和图2所示。15和16号。在图15中，1个分区对应4 V;因此6个分区对应24 V。从F到V转换器，对于67 Hz，它将给出1 V，因此24 V对应于1608 Hz。霍尔传感器A的频率是1608Hz，因此机械频率将是8倍，即201 Hz。对应于201 Hz的速度为N=（120 201）/16 = 1507.5 rpm。在图15中，实验系统稳定到参考速度所需的时间为80 ms，而在图15中，模拟系统稳定到参考速度所需的时间为50 ms。十六岁图15.实验结果（30%启动负载时的抗饱和PI控制器）[建立时间为80 ms]。12M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1××××××1600AW控制器在30%负载1500140013001200110010000 0.020.06 0.08 0.10.12以秒为单位的0.16 0.18 0.2图16.仿真结果（30%启动负载时的抗饱和PI控制器）[建立时间50 ms]。同样，速度变化的波形也被记录下来，如图所示。 十七岁如从图17观察到的，初始电压为25 V;这意味着25 67 = 1675 Hz;因此对应的机械频率=（1675P/2）;f= 210Hz。因此，初始速度N= 120f/P;N= 1600 rpm。最终速度：电压= 12 V;这意味着12 67 = 804 Hz;机械频率= 804/8 = 100.5 Hz。N= 120f/P;N= 750 rpm。图18示出了在速度从750 rpm增加到1600 rpm期间系统的动态响应。初始电压为12 V;这意味着12 67 = 804Hz;因此相应的机械频率=（804P/2）;f= 100.5 Hz。因此，初始速度N= 120f/P;N= 750 rpm。最终速度：电压= 25 V;这意味着25 67 = 1675 Hz;机械频率= 1675/8 = 210 Hz。N= 120f/P;N= 1600 rpm。图图19示出了负载降低30%的结果。随着负载的降低，速度增加，但在200 ms内再次稳定到其参考值。图17.转速从1600 rpm降至750 rpm。转速（RPM）M. Tariq等人/电气系统与信息技术学报3（2016）113图18.转速从750 rpm增加到1600 rpm。图19.负载降低30%，速度在200 ms内稳定到参考值。7. 结论本文提出了一种抗饱和PI控制器和传统的PI控制器之间的性能进行了比较。仿真结果证实了抗饱和PI控制器在硬件实现上的有效性和优越性仿真结果表明，抗饱和PI控制器具有较好的抗干扰能力，超调量小，调节时间短，提高了系统的速度响应能力。在TMS320F2808 DSP板上进行了实验装置的搭建，实验结果验证了速度控制的仿真结果在无位置传感器的无刷直流电机调速系统中，可以采用抗饱和PI控制器确认这项工作完全由政府地球科学部国家海洋技术研究所（NIOT）资助。印度。作者感谢NIOT主任为完成该项目提供设施作者也感谢K。Arumugam和NIOT海洋传感器系统小组的其他成员对他们的大力支持表示感谢。引用Bohn，C.，阿瑟顿，民主党，一九九五年 一个比较PID抗饱和策略的分析包。 IEEE系统 麦格 15（April（2）），34-40.Bose，B.K.，2006. 电力电子和电机驱动器的先进性和趋势。牛津大学出版社.Darba，A.，De Belie，F.，Melkebeek，J.A.，2015年。提出了一种检测无刷直流电机换相时刻的反电动势阈值自检测方法。Ind.Electron.IEEETrans. 62（October（10）），6064-6075.Gopal，M.，2003年。 数字控制和状态变量方法，第2版。 我是麦格拉·希尔。14M. 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