基于模型切換策略的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速研究

陳鵬展，劉 曦

(華東交通大學(xué)，南昌 330013)

?

基于模型切換策略的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速研究

陳鵬展，劉 曦

(華東交通大學(xué)，南昌 330013)

提出了一類基于模型切換策略的無(wú)刷電機(jī)寬范圍調(diào)速方法，根據(jù)電機(jī)特性給電機(jī)速度目標(biāo)值定義高/低速運(yùn)行區(qū)間，當(dāng)電機(jī)在低速區(qū)運(yùn)行時(shí)，采用積分分離PID控制策略；電機(jī)在高速區(qū)運(yùn)行，采用增量式PID控制策略，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的速度過(guò)渡區(qū)，通過(guò)滯后切換實(shí)現(xiàn)控制模型轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)表明，提出的模型切換控制策略在低速和高速運(yùn)行區(qū)域均能實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)精確速度閉環(huán)控制，且模型間切換控制過(guò)程穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的寬范圍調(diào)速。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；多模型控制；滯后切換；寬范圍調(diào)速

0 引 言

隨著無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDCM)在工業(yè)自動(dòng)化、汽車、家電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，BLDCM的控制策略已成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。各類應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)BLDCM的系統(tǒng)性能要求越來(lái)越高，單一模型的控制策略已無(wú)法滿足被控對(duì)象的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性要求。繼而，多模型控制策略受到廣泛的關(guān)注與研究[1-5]。傳統(tǒng)電機(jī)控制策略多為單一PID控制，面對(duì)現(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)，此類控制策略已無(wú)法滿足業(yè)內(nèi)需求。

多模型控制策略可根據(jù)對(duì)象參數(shù)的變化建立多個(gè)控制模型，通過(guò)改變控制策略，逼近復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，這樣使得系統(tǒng)整體性能滿足控制需求。

在電機(jī)調(diào)速過(guò)程中，系統(tǒng)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，為提高電機(jī)的控制性能，現(xiàn)將多模型控制策略應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。本文將對(duì)基于多模型切換控制策略的BLDCM寬范圍調(diào)速進(jìn)行研究。

1 模型切換控制原理

1.1 低速積分分離PID控制

針對(duì)電機(jī)特性，電機(jī)在低速啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)由于系統(tǒng)有慣性和滯后，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間都會(huì)較大。為使BLDCM閉環(huán)系統(tǒng)在低速時(shí)獲得最大低速調(diào)速范圍，需盡量減小超調(diào)量，避免由于電機(jī)在閉環(huán)PID調(diào)節(jié)中PWM輸出控制響應(yīng)過(guò)慢而使電機(jī)停機(jī)。

低速積分分離PID控制能減小超調(diào)量，有效增大低速調(diào)速范圍，積分分離PID控制算法如下[6]：

(1)

(2)

當(dāng)|error(k)|>ε時(shí)，采用PD控制，避免產(chǎn)生過(guò)大超調(diào)，系統(tǒng)響應(yīng)較快。

當(dāng)error(k)|≤ε時(shí)，采用PID控制，以保證系統(tǒng)控制精度。

式中:T為采樣時(shí)間，β為積分開(kāi)關(guān)系數(shù)。

1.2 高速增量式PID控制

由于增量式PID算法不需累加，控制增量?jī)H與最近采樣點(diǎn)有關(guān)，誤動(dòng)作時(shí)影響較小。在電動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)行區(qū)時(shí)，采用增量式PID控制，能有效保證BLDCM處于高速運(yùn)行區(qū)的調(diào)速閉環(huán)響應(yīng)。增量式PID控制算法如下[6],根據(jù)遞推原理可得：

(3)

則增量式PID控制算法：

(4)

Δu(k)=kp[error(k)-error(k-1)]+kierror(k)+

(5)

1.3 BLDCM多模型協(xié)同閉環(huán)系統(tǒng)

多模型切換控制[7]為多模型控制的主要控制策略。多模型切換控制的核心在于切換邏輯，切換邏輯的優(yōu)劣決定著控制系統(tǒng)性能的好壞，主要切換邏輯有：狀態(tài)切換[8]、滯留時(shí)間切換[9]、滯后切換[10]?；贐LDCM控制系統(tǒng)的特性，將采用滯后切換方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速/高速控制模型的切換。通過(guò)傳統(tǒng)BLDCM單一PID控制性能測(cè)試，結(jié)合控制系統(tǒng)反饋的性能指標(biāo)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速小于1 000 r/min定義為低速運(yùn)行區(qū)域；電機(jī)轉(zhuǎn)速位于1 000 r/min至1 200 r/min之間定義為切換過(guò)渡區(qū)；電機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 200 r/min 定義為高速運(yùn)行區(qū)。

最初采用在低速和高速直接設(shè)定一個(gè)限定速度作為控制方式的切換點(diǎn),但實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)切換控制方式時(shí)，如果調(diào)速過(guò)快，電動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)速度跳變、系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象?？紤]此點(diǎn)，本文為提高系統(tǒng)在控制方式切換時(shí)的穩(wěn)定性，將在控制方式切換時(shí)設(shè)置過(guò)渡區(qū)進(jìn)行滯后切換。模型切換控制策略示意圖如圖1所示。

圖1 控制策略示意圖

根據(jù)圖1模型切換控制策略示意圖，當(dāng)系統(tǒng)由低速控制方式切換至高速控制方式時(shí)，在過(guò)渡區(qū)采用低速控制方式；當(dāng)系統(tǒng)由高速控制方式切換至低速控制方式時(shí)，在過(guò)渡區(qū)采用高速控制方式,在本控制系統(tǒng)中設(shè)定v1為1 000 r/min,v2為1 200 r/min。

根據(jù)BLDCM調(diào)速過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速階段，將BLDCM調(diào)速過(guò)程分為低速運(yùn)行區(qū)和高速運(yùn)行區(qū),分別建立相應(yīng)控制模型，實(shí)現(xiàn)BLDCM多模型切換控制[11]。低速運(yùn)行區(qū)域，應(yīng)用積分分離PID控制策略；高速運(yùn)行區(qū)域，應(yīng)用增量式PID控制策略。則BLDCM模型切換控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 BLDCM模型切換控制系統(tǒng)框圖

2 模型切換策略平臺(tái)構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用STM32F103RBT6作為控制系統(tǒng)主芯片，MOSFET驅(qū)動(dòng)電路采用N+N結(jié)構(gòu)，以IR2101作為MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片。以42BLF02 BLDCM作為被控對(duì)象。電子換向采用“二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)”方式[12]。BLDCM控制系統(tǒng)等效框圖如圖3所示。

圖3 BLDCM控制系統(tǒng)等效框圖

圖4為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，直流穩(wěn)壓電源為BLDCM驅(qū)動(dòng)板提供24 V直流電壓，上位機(jī)通過(guò)JTAG仿真器與BLDCM驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)通信，BLDCM驅(qū)動(dòng)板在霍爾傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算， FT232RL將電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)在LabVIEW中對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)轉(zhuǎn)速表測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)比監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，校驗(yàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 BLDCM控制性能測(cè)試

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度最低250 r/min,最高轉(zhuǎn)速4 200 r/min。為了驗(yàn)證本文中基于多模型滯后切換BLDCM控制系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上調(diào)速測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采樣周期為15 ms。

圖5、圖6為控制系統(tǒng)在80 Hz斜坡信號(hào)下多模型滯后切換控制。圖5為電機(jī)在80 Hz頻率斜坡信號(hào)下，BLDCM控制系統(tǒng)通過(guò)滯后切換實(shí)現(xiàn)低速區(qū)至高速區(qū)切換；圖6為電機(jī)在80 Hz頻率斜坡信號(hào)下BLDCM控制系統(tǒng)通過(guò)滯后切換實(shí)現(xiàn)高速區(qū)至低速區(qū)切換。系統(tǒng)穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)。

圖5 滯后切換80 Hz斜坡信號(hào)控制系統(tǒng)測(cè)試 (低速切換至高速)

圖6 滯后切換80 Hz斜坡信號(hào)控制系統(tǒng)測(cè)試 (高速切換至低速)

圖7為多模型點(diǎn)切換控制電機(jī)頻率響應(yīng)。由圖可見(jiàn)，控制系統(tǒng)執(zhí)行點(diǎn)切換時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)抖動(dòng)、電機(jī)速度跳變、系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，表明本文提出的多模型切換控制策略的有效性。

圖7 點(diǎn)切換80 Hz斜坡信號(hào)控制系統(tǒng)測(cè)試

圖8 為BLDCM控制系統(tǒng)低速外界擾動(dòng)測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，在外界擾動(dòng)情況下系統(tǒng)能快速通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，回歸穩(wěn)態(tài)設(shè)定速度；在外界擾動(dòng)消失后，閉環(huán)系統(tǒng)能快速回歸穩(wěn)態(tài)設(shè)定速度。表明本文提出的多模型協(xié)同控制系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)具有良好的抗外界擾動(dòng)性能。

圖8 BLDCM控制系統(tǒng)低速外界擾動(dòng)測(cè)試

圖9為圖8所示低速外界擾動(dòng)誤差曲線，如圖所示，控制系統(tǒng)對(duì)低速運(yùn)行時(shí)外界擾動(dòng)調(diào)節(jié)性能良好，最大超調(diào)量在20%以下。

圖10為BLDCM控制系統(tǒng)高速外界擾動(dòng)測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，在外界擾動(dòng)情況下系統(tǒng)能快速通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，回歸穩(wěn)態(tài)設(shè)定速度；在外界擾動(dòng)消失后，閉環(huán)系統(tǒng)能快速回歸穩(wěn)態(tài)設(shè)定速度。表明本文提出的多模型協(xié)同控制系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)具有良好的抗外界擾動(dòng)性能。

圖9 低速擾動(dòng)誤差曲線

圖10 BLDCM控制系統(tǒng)高速外界擾動(dòng)測(cè)試

圖11為圖10所示高速外界擾動(dòng)誤差曲線，如圖所示，控制系統(tǒng)對(duì)高速運(yùn)行時(shí)外界擾動(dòng)調(diào)節(jié)性能良好，最大超調(diào)量在15%以下。

圖11 高速擾動(dòng)誤差曲線

圖12為高速啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置1 600 r/min高速啟動(dòng)，曲線表明， 45個(gè)采樣點(diǎn)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，調(diào)整時(shí)間為0.675 s。說(shuō)明本BLDCM控制系統(tǒng)具有良好的高速啟動(dòng)特性。

圖12 高速啟動(dòng)特性

圖13為低速啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置500 r/min低速啟動(dòng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， 80個(gè)采樣點(diǎn)后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，調(diào)整時(shí)間為1.2 s。說(shuō)明本BLDCM控制系統(tǒng)具有良好的低速啟動(dòng)特性。

圖13 低速啟動(dòng)特性

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)BLDCM調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出多模型切換控制策略，實(shí)現(xiàn)了BLDCM寬范圍調(diào)速。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

(1)文中提出BLDCM低速/高速分區(qū)調(diào)速控制，通過(guò)滯后切換邏輯實(shí)現(xiàn)低速/高速控制策略柔性轉(zhuǎn)換，避免了常見(jiàn)多模型切換控制過(guò)程中出現(xiàn)的控制系統(tǒng)抖動(dòng)、崩潰等現(xiàn)象。

(2)本文提出的BLDCM控制系統(tǒng)在低速運(yùn)行、高速運(yùn)行過(guò)程中，均具有良好的抗擾動(dòng)性能，證明了多模型控制策略的穩(wěn)定性。

(3)文中提出的多模型控制策略，可保證BLDCM控制系統(tǒng)的整個(gè)速度運(yùn)行區(qū)間內(nèi)均能保持良好的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)電機(jī)寬范圍閉環(huán)控制。

[1]AADERSONBDO,DEHGHANIA.Challengesofadaptivecontrol-past,permanentandfuture[J].AnnualReviewsinControl,2008,32(2):123-135.

[2]NARENDRAKS,HANZ.Thechangingfaceofadaptivecontrol[J].AnnualReviewinControl,2011,35(1):1-12.

[3] 胡國(guó)龍, 孫優(yōu)賢. 多模型控制方法的研究進(jìn)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].信息與控制,2004, 33(1):72-76.

[4] 李曉理,王偉,孫維.多模型自適應(yīng)控制[J].控制與決策,2000,15(4):390-394.

[5] 劉琳琳.多層次多模型預(yù)測(cè)控制算法的模型切換方法研究[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013,39(5):626-630.

[6] 潘新民.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2001.

[7] 陳杰,陳偉,孫健.多模型自適應(yīng)控制研究概述[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué),2014,34(12):1421-1437.

[8]PERSISCD,SANSISRD,MORSEAS.Supervisorycontrolwithstate-dependentdwell-timelogicandconstraints[J].Auotmatica,2004,40(2):269-275.

[9]CAOM,MORSEAS.Dwell-timeswitching[J].System&ControlLetters, 2010,59(1): 57-65.

[10]HESPANHAJP.Logical-BasedSwitchingAlgorithmsinControl[D].NewHaven:YaleUniversity,1998.

[11] 王世虎,沈炯,李益國(guó).多模型控制方法及其研究進(jìn)展[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2008:13-17.

[12] 葉金虎,徐思海,張明頡,等.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)[M].北京：科學(xué)出版社,1982.

Research on Speed Control of Brushless DC Motor Based on Model Switching Strategy

CHENPeng-zhan,LIUXi

(East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

A wide range speed adjustment method of brushless DC motor based on model switching strategy was proposed. According to the motor characteristics the high/low speed operating range was defined for a target value of motor speed, using integral separation PID control strategy when the motor running in low speed region and using the incremental PID control strategy when the motor in high speed. Combined with the preset speed transition region, t he control model was transformed by hysteresis switching. Experimental results show that the proposed model switching control strategy in the region of the low-speed and high-speed operation can achieve precise speed closed-loop control of brushless DC motor, wide speed range, and stable model switching.

brushless DC motor; multi-model coordinated control; hysteresis switching;wide speed control

2015-10-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61164011)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20114BAB201023);江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目(YC2014-X006)；江西省博士后科研擇優(yōu)項(xiàng)目

TM33

A

1004-7018(2016)07-0056-03

陳鵬展(1975-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄芑詣?dòng)化裝置及汽車電子控制、現(xiàn)場(chǎng)總線控制及網(wǎng)絡(luò)控制。