基于SMC和最优电流矢量的无刷直流电机矢量控制_边真真.pdf

13 2023 年 2 月第 50 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.50 No.2Feb.2023天 津 科 技 TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY 应用技术基于SMC和最优电流矢量的无刷直流电机矢量控制边真真 1，李风生 2（1.天津航天中为数据系统科技有限公司 天津 300301；2.天津电气科学研究院有限公司 天津 300301）摘 要：传统无刷直流电机运行时存在启动抖动明显、转矩脉动大等问题，为解决这些问题，提出采用 SVPWM 空间矢量脉宽调制策略，运用滑模控制替代转速环 PI 控制，同时在 q 轴电流环注入最优电流矢量控制方案。通过搭建仿真模型及仿真结果分析可知，相对传统控制策略能够有效降低启动超调、抑制换相转矩脉动和提高动态响应能力。关键词：无刷直流电机 空间矢量脉宽调制 滑模控制 最优电流矢量 转矩脉动中图分类号：TM301.2 文献标志码：A 文章编号：1006-8945（2023）02-0013-03Vector Control of Brushless DC Motor Based on Sliding Mode Control and Optimal Current Vector BIAN Zhenzhen 1，LI Fengsheng 2（1.Tianjin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China；2.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）Abstract：The traditional brushless DC motor has some problems such as obvious startup shaking and large torque ripple.To solve these problems，the space vector pulse width modulation strategy is proposed，and the sliding mode control is used to replace the speed loop PI control，while the optimal current vector is injected into the q-axis current loop.By building the simulation model and analyzing the simulation results，it can be seen that compared with the traditional control strategy，the starting overshoot can be effectively reduced，the commutation torque ripple can be suppressed，and the dynamic response ability can be improved.Key words：brushless DC motor；space vector pulse width modulation；sliding mode control；optimal current vector；torque ripple收稿日期：2023-02-070 引 言无刷直流电机 BLDC 具有结构简单、惯性小、启动转矩大、制动效果好、调速范围广、效率高等优点，被广泛地应用于各类驱动控制系统1-3，如民用电器、工业控制、汽车、航空航天等多个领域。传统的无刷直流电机一般采用比例积分（PI）控制、脉冲宽度调制（PWM）4-6方波调制策略，其优点是算法简单、易实现，缺点是输出转矩波动大、噪声大、对开关管器件影响大等。近年来，很多科研人员开始研究正弦波驱动电机的方法，如正弦波脉宽调制（SPWM）、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等。为了克服运行时输出转矩波动大、稳态精度不高等问题，本文在传统 SVPWM 矢量控制的基础上提出一种基于滑模控制（SMC）和最优电流矢量相结合的控制算法，对速度调节器采用 SMC 控制，对 q 轴电流调节器采用最优电流矢量和 PI 控制。通过对仿真结果进行分析，证明所采用的控制算法可以有效抑制转矩波动、降低转速超调和提高稳态精度。1 无刷直流电机数学模型因无刷直流电机反电动势及其气隙磁场是梯形波、定子电流是方波，均属于非正弦控制，此时采用传统的交直轴坐标变换分析方法不再有效。采用经典的基尔霍夫电路定律、运动方程通过等效数学建DOI:10.14099/ki.tjkj.2023.02.021 14 天 津 科 技第 50 卷 第 2 期模能够获得相对较为准确的控制结果。以两相导通星形三相六状态为例，直接利用无刷直流电机自身的各个状态变量来搭建 BLDC 数学模型。为了方便分析，提出以下理想条件假设：定子三相绕组对称，空间互差 120，参数相同；不考虑电枢反应，电机气隙磁感应强度近似为方波；不考虑涡流损耗、磁滞损耗；定子铁芯齿槽对系统不产生影响。基于以上假设，数学模型7-9如下。1.1 电压方程其中：分别为三相绕组定子电压（V）；分别为三相绕组定子电流（A）；分别为三相绕组定子反电动势（V）；R为三相绕组定子等效电阻（）；L为三相绕组自感（H）；M为三相绕组互感（H）。1.2 转矩方程电磁转矩通过绕组合成磁场和转子磁场相互作用产生，则：其中：为电磁转矩（Nm）；为转子角速度（rad/s）；为电磁功率（W）。1.3 运动方程其中：B为阻尼系数（Nms/rad）；J为转动惯量（kgm2）；LT为负载转矩（Nm）。2 控制器设计2.1 SMC滑模控制器目前无刷直流电机速度调节普遍采用传统的PI比例积分控制，具有调节简单、参数调整方便等特点。而无刷直流电机作为一个非线性、强耦合多变量混合交叉控制系统，容易受内部（如物理参数发生变化等）及外部（如突然产生的扰动等）环境影响，进而使PI控制难以满足实际应用需求。为了提高系统的调速质量，利用滑模控制对系统内、外未知干扰及其他不确定因素影响不敏感、响应速度快等优点，速度环调节器采用 SMC 滑模控制来替代 PI 控制。下面定义 BLDC 系统状态变量为：参考式（2）、（3）、（4），定义状态方程如式（5）所示：定义滑模面函数为：为使系统具备较好的鲁棒性，采用趋近律方法可使运动过程更加平滑，故采用指数趋近律10-12：对式（6）求导，结合式（5）、（7），可得d轴参考电流如式（8）所示：其中：D、c、q为待配系数。因控制器包含积分项，可以削弱抖振及系统稳态误差。根据滑模稳态判定条件，易验证在控制器（公式 8）控制下，系统渐进稳定。2.2 最优电流矢量控制控制系统调制策略采用 SVPWM 矢量控制，此时逆变桥处于三三导通模式。假设对换相和正常导通期间不予严格区分，使用平滑连续电流取代近似阶跃方波电流则能够从根源上消除因电流换相导致的转矩脉动13问题。为了有效抑制换相过程中引起的转矩波动，q 轴电流环调节器采用最优电流矢量控制。结合式（2），注入的最优电流矢量应满足式（9）：其中：常数k表示扇区号，其整数取值范围为k 1，2，3，4，5，6；变量e表示电角度；常数eK表示电磁时间常数。其中电角度e和扇区号k之间的关系如表 1所示。表 1 电角度和扇区号的关系Tab.1 Relationship between electrical angle and sector numbere-/6/6/63/63/65/65/67/67/69/67/611/6k1234563 无刷直流电机控制系统建模仿真采用控制系统框图如图 1 所示，主要涉及SMC（1）（2）（3）（5）（6）（8）（9）（7）（4）15 2023 年 2 月 边真真等：基于 SMC 和最优电流矢量的无刷直流电机矢量控制滑模速度环模块、PI电流环模块、最优电流控制模块、Clark模块、Park模块、反Park模块、SVPWM 矢量模块、信号检测模块等。图 1 基于SMC和最优电流矢量的SVPWM控制系统Fig.1 SVPWM control system based on SMC and optimal current vector为验证所设计控制器的正确性，基于图 1 的控制策略，通过 matlab simulink 仿真环境进行建模。最终搭建的整体仿真模型图如图 2 所示。图 2 基于SMC和最优电流矢量的matlab仿真模型Fig.2 Matlab simulation model based on SMC and optimal current vector根据式（8），搭建的指数型SMC控制器模型如图 3 所示。图 3 指数型SMC控制器仿真模型Fig.3 Simulation model of exponential SMC controller在图 3 中，err 输入信号为参考速度与输出反馈速度的偏差信号，其经过 SMC 控制，输出作为 q 轴电流的参考信号。经过多次调节和优化，以下相关参 数 的 最 佳 取 值 分 别 为 0.000 2=D、20=c、200=、300=q。4 仿真结果和分析在仿真模型中，采用的 BLDC 无刷直流电机参数为：定子电阻R=3.05，定子电感L=17 mH，极对数P=5，磁链=0.077 Wb，转动惯量J=0.000 3 kgm2。仿真条件设置为：直流侧电压为U.=311 V，PWM开关频率f=10 kHz，仿真周期T=0.5 s。采用变步长ode23tb算法，相对误差relative tolerance为0.001，仿真时间为 0.5 s。转速环调节器分别采用 SMC 控制和 PI 控制，其他条件设置一样，仿真结果如图 4 所示。仿真结果表明，相对于传统的 PI 控制，SMC 滑模控制具有超调小、动态响应时间短等优势。图 4 输出转速波形Fig.4 Output speed waveform 转速环采用 SMC 控制，q 轴电流环分别采用传统矢量控制和增加最优电流矢量控制，其他条件设置一样，仿真结果如图 5 所示。该结果表明，相对于传统矢量控制，最优电流矢量控制能够有效抑制换相瞬间产生的脉动尖峰。图 5 输出转矩波形Fig.5 Output torque waveform 5 结 语本文基于matlab simulink仿真软件，搭建了采用SVPWM 矢量控制的无刷直流电机仿真模型，其中转速环采用SMC控制，q 轴电流环注入最优电流矢量下转第 19 页 19 2023 年 2 月4 孙纪富，耿拥军，刘家恒.WS 型油气水三相分离器设 计与应用 J .胜利油田职工大学学报，2007（3）：62-63.5 鞠微.卧式沉降三相分离器设计及数值研究 D .大连：大连理工大学，2014.6 李巍，于同川，张晓敏，等.重力式油气水三相分离 器工艺设计研究 J .节能技术，2016，34（5）：477-480，3.7 刘利群.油气分离设备天然气量的计算 J .油田地面 工程，1994（5）：13-14.8 夏炳焕.天然气在原油中的溶解性及溶气原油流变性 研究 D .青岛：中国石油大学（华东），2010.9 李秉繁，刘刚，陈雷.CH.在原油体系中溶解规律及 影响机理 J .化工进展，2021，40（8）：4205-4222.10 Standing M B.A Pressure-volume-temperature cor rela-tion for mixtures of California Oils and Gases J .Drilling&Production Practice，1947.11 Vazquez M，Beggs H D.Correlations for fluid physical pro