基于扩张状态观测器的永磁无刷直流电机滑模变结构控制_

基于扩张状态观测器的永磁无刷直流电机滑模变结构控制
   夏长亮，刘均华，俞卫，李志强
   (天津大学电气与自动化工程学院，天津市南开区300072)
   要：根据无刷直流电机的数学模型和滑模变结构控制的特点，把换相引起的相电流变化当作外界对电机的干扰，建立了一个模型。根据此模型，构造了滑模变结构控制器，运用其对各种扰动不敏感的特性来抑制各种干扰对电机的影响。
   扩张状态观测器是一种性能良好的观测器，它不仅能得到不确定对象的状态，还能获得对象模型中内扰和外扰的实时控制量。电机的负载转矩用扩张状态观测器来准确估计，所以把它当作一个已知扰动来控制，这样提高了系统的控制精度。MATLAB仿真表明，与经典PID控制器相比，用滑模变结构控制器控制无刷直流电机，超调量小，速度响应快，且速度响应受电机参数变化影响小，各种外界干扰也得到了很好的抑制。用TMS320LF2407ADSP来搭建硬件电路，证明本控制器在实时控制中取得了很好的实验性能。
   关键词：无刷直流电机；滑模变结构控制；扩张状态观测器；数字信号处理器
   引言
   永磁无刷直流电机(BLDCM)既具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好等诸多特点，随着现代电力电子和计算机技术的快速发展，其在工业领域中得到了日益广泛的应用[1]。永磁无刷直流电机是一种多变量、非线性的系统，得到准确的数学模型比较困难。经典的PID控制需要精确的电机模型，不能对电机进行精确的控制。现代控制理论如模型参考自适应控制、模糊控制和神经网络控制可以有效地提高电机的运行性能[2-3]。但是，模型参考自适应控制对负载的快速变化特别敏感；在模糊控制中，由于复杂模糊规则的相互作用，致使模糊控制效果不够理想；而神经网络控制器因需要不断学习来调整参数，所以需要速度很快的微处理器，硬件实现比较困难。
   滑模变结构控制出现在20世纪50年代，由于它有很强的鲁棒性等优点，近年来得到了广泛的应用。它可以用来实现对电机速度、位置、电流的控制，也可以用来设计系统的状态观测器，且硬件实现比智能控制简单[4-9]。文献[4]将变结构控制与智能

为了比较本文设计的基于扩张状态观测器的变结构控制器和普通PID控制器的性能，对控制系统进行了仿真。图2是带负载变化的两控制器的速度响应曲线。当在0.05s时，负载转矩由0.1N?m加至0.2N?m，变结构控制与普通PID控制相比，变结构控制的系统速度波动小且恢复时间短。这表明本文设计的控制器在抑制超调和加快响应速度方面取得了比较好的效果，并且对负载的变化不敏感。图3是相电阻变化时两控制器的速度响应曲线。相电阻从1.32?变化到1.5?，速度响应曲线变化不大，表明了此控制器对电阻参数变化不敏感。

    实验是在DSP TMS320LF2407A上设计实现的，设计方案如图4所示。
   为了验证仿真的结果，进行了速度跟踪实验。实验中，输入的信号为正弦波。在PID控制下的速度跟踪曲线如图5所示。由图可知，系统不能很好地跟踪输入信号，说明，系统的速度响应比较慢。在基于扩张状态观测器的滑模变结构控制器控制下的速度跟踪曲线如图6所示。由图可知，在此控制器控制下系统能很好地跟踪输入信号，说明此系统的响应速度比较快。

6 结论
本文设计了基于扩张状态观测器的无刷直流电机变结构控制。本控制器具有滑模控制的许多优点，如对扰动不敏感、响应速度快等。扩张状态观测器用来观测系统的扰动即负载，它补偿了扰动对系统的各种影响，取得了很好的控制效果。仿真结果和实验结果都验证了所设计的控制器有很好的控制效果。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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