无刷直流电动机自适应模糊控制的研究
摘要
永磁无刷直流电动机实际上是以电子换向代替机械换向的直流电动机，因而保持了直流电动机的优良特性，具有较好的起动和调速性能，又因它无需机械换向器使电机的结构简单，可以从根本上克服一般有刷直流电动机易于产生换向火花的弊病，在航天、机器人、数控机床等许多工业领域已得到广泛应用。
本文从永磁无刷直流电动机的基本工作原理出发，提出了利用自适应模糊PID控制器实现对永磁无刷直流电机调速系统进行设计的新方法。首先建立无刷直流电动机的动态数学模型，以此进行转速和电流双闭环调速系统控制；接着将模糊控制器和PID控制器通过自适应因子结合起来，在线自调整控制参数，进一步完善了PID控制器的性能，提高了系统的控制精度。同时给出了仿真结果。
此外，如何在较宽的调速范围内减小力矩波动一直是交流系统研究的主要问题。本文对双极性调制的无刷直流电动机仿真，分析了转速和调制频率对转矩影响；并综合考虑缓冲电路、控制死区及载波频率对PWM逆变电路中IGBT开关损耗的影响。同时给出了仿真结果。
The permanent magnet brushless DC motor is a DC motor using electronic communication in place of mechanical communication in fact, so it has excellent characteristic of DC motors, for example good start and timing performance. It simplifies the motor's structure and overcomes the friction disadvantages of ordinary DC motor because it doesn't use mechanical communication. It is extensively used in aviations, robots, digital machine tool and so on.
In the paper, a new approach of designing the timing system for brushless DC motor (BLDCM) is presented, which is based on the parameter's self-adaptive PID controller combined with Fuzzy logic. At first, the principle of BLDCM is analyzed and the model is built; then a test is performed on a timing system of close loops of speed and current; Through combining Fuzzy logic with PID controller and adjusting control parameters in on-line ways, it can perfect the properties of PID controller and improve the precisions of control system. At the same time the results are given.
What's more, how to reduce the torque pulsation in a wide timing range is the main discussing issue of alternating servo system. This paper simulates and analyses the torque pulsation because of the modulation frequency and speed variation under ambipolar pulse width modulation; the influence of snubber circuit, dead time effects , and modulation frequency to IGBT PWM Inverterbridge is taken into account, too. At the same time the results are given.
本文从永磁无刷直流电动机的基本工作原理出发，提出了利用自适应模糊PID控制器实现对永磁无刷直流电机调速系统进行设计的新方法。首先建立无刷直流电动机的动态数学模型，以此进行转速和电流双闭环调速系统控制；接着将模糊控制器和PID控制器通过自适应因子结合起来，在线自调整控制参数，进一步完善了PID控制器的性能，提高了系统的控制精度。同时给出了仿真结果。
此外，如何在较宽的调速范围内减小力矩波动一直是交流系统研究的主要问题。本文对双极性调制的无刷直流电动机仿真，分析了转速和调制频率对转矩影响；并综合考虑缓冲电路、控制死区及载波频率对PWM逆变电路中IGBT开关损耗的影响。同时给出了仿真结果。
The permanent magnet brushless DC motor is a DC motor using electronic communication in place of mechanical communication in fact, so it has excellent characteristic of DC motors, for example good start and timing performance. It simplifies the motor's structure and overcomes the friction disadvantages of ordinary DC motor because it doesn't use mechanical communication. It is extensively used in aviations, robots, digital machine tool and so on.
In the paper, a new approach of designing the timing system for brushless DC motor (BLDCM) is presented, which is based on the parameter's self-adaptive PID controller combined with Fuzzy logic. At first, the principle of BLDCM is analyzed and the model is built; then a test is performed on a timing system of close loops of speed and current; Through combining Fuzzy logic with PID controller and adjusting control parameters in on-line ways, it can perfect the properties of PID controller and improve the precisions of control system. At the same time the results are given.
What's more, how to reduce the torque pulsation in a wide timing range is the main discussing issue of alternating servo system. This paper simulates and analyses the torque pulsation because of the modulation frequency and speed variation under ambipolar pulse width modulation; the influence of snubber circuit, dead time effects , and modulation frequency to IGBT PWM Inverterbridge is taken into account, too. At the same time the results are given.
引文
[1] 李钟明等，稀土永磁电机，北京：国防工业出版社，1999
[2] 张琛等，直流无刷直流电动机原理及应用，机械工业出版社，1999
[3] 王成元等，矢量控制交流伺服驱动电动机，机械工业出版社，1995
[4] 陶永华等，新型PID控制及其应用，北京：机械工业出版社，2000
[5] 张为国等，模糊控制理论与应用，西安：西北工业大学出版社，1999
[6] 黄俊等，半导体变流技术，机械工业出版社，1980
[7] 许大中等，电机的电子控制及其特性，机械工业出版社，1985
[8] 贺益康等，交流电机调速系统计算机仿真，浙江大学出版社，1993
[9] 王沫然等，Simulink4建模及动态仿真，北京：电子工业出版社，2002
[10] 黄斐梨 王耀明 陆俊峰 姜新建 刘士祥，电动汽车永磁无刷电机驱动系统的仿真，清华大学学报 第35卷第1期第77-84页 1995年
[11] 孙剑波 龚世缨 董亚晖，永磁无刷直流电机调速系统的仿真研究，微电机第34卷第2期(总第119期) 2001年3月
[12] 颜南明 李长兵，基于MATLAB下的BLDCM调速系统仿真研究，系统仿真学报 第14卷第4期 2002年4月
[13] 刘立祥 谢剑英 张敬辕，一种新的模糊控制器设计方法上海交通大学学报 第35卷第11期 2001年11月
[14] 杨彬 江建中，永磁无数直流电机调速系统的仿真，上海大学学报 第7卷第6期 2001年12月
[15] 靳方义 郝晓弘，无数直流方波电机控制特性及其伺服系统控制策略，微特电机 1999年第5期
[16] 田健 郭会军 王华民 李朝阳，大功率IGBT瞬态保护研究，电力电子技术 2000年第4期
[17] 陈益广 薛向党 郭晖，三相桥式逆变器关断缓冲电路的研究电气传动 1998年第5期
[18] 廖育武 李永东，无刷直流电机控制系统仿真及实验研究，机床与电器 1997年6月
[19] 贡俊 陆国林，无刷直流电机在工业中的应用发展，微特电机2000年5期
[20] 杨涛，自学习模糊变结构控制器设计，同济大学学报 1994年3月
[21] Evans PD, Brown D. "Simulation of brushless DC drive." IEEE Pt. B. Elect. Po-wer PROC. APPI(UK) Sep, 1990,137:290-308
[22] Evans P D,Brown D. "Simulation of brushless DC drive." IEEE PR OC. Pt. B. Elect.Power APPI(UK)Sep, 1990,137:299～308
[23] PILLAY P, KRISHNAN R. Modeling Simulation and Analysis of Parament Magnet Motor Drives.IEEE Trans, 1985,25(2)
[24] Frede Blaabjerg, John K. Pedersen. "Comparison of NPT and PT IGBT-devices for Hard Switching Applications." IEEE Industry Applications Society. October 2-7,1994 Annual Meeting
[25] Frede Blaabjerg, John K. Pedersen. "Optimum Design and Test of a Snubberless IGBT PWM-VSI Inverterbridge." IEEE Industry Applications Society. October 2-7,1994 Annual Meeting
[26] Frede Blaabjerg, Ulrik Jaeger. "Power Lossers And Short Circuit Behaviour For NPT And PT IGBT-devices." IEEE Power Electronics, Motion Control and Associated Applications, Sep, 1994
[27] S.D.Sudhoff, P.C.Krause, "Operation models of the brushless DC motor with a 120°inventer." IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol.5.No.3, September, 1990, 558～564
[28] Sun Jun Park, "A New Approach for Minimum-Torque-Ripple Maximum Efficiency Control of BLCD Motor." IEEE Trans.Ind.Elect.VOL.47.NO.1, February 2000
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