直流無刷電機(jī)PID控制算法與仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13104直流無刷電機(jī)PID控制算法與仿真分析案例 13021.1PID控制算法 1211391.2傳統(tǒng)PID控制算法仿真框圖 3146491.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 535761.3.1轉(zhuǎn)速PI控制模塊 5271561.3.2電流調(diào)節(jié)PI控制模塊 6105981.3.3轉(zhuǎn)速指令值模塊 621611.3.4電壓源模塊 731991.3.5三相逆變器模塊 8297511.3.6霍爾解碼模塊 869361.3.7PWM模塊 980121.3.8電機(jī)模塊 10121201.3.9驅(qū)動模塊 11214201.3.10信號測量模塊 11107421.3.11負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊 12233481.3.12ac/dc整流模塊 13290141.3.13POWERGUI模塊 1478831.4仿真結(jié)果 14160151.4.1三相電流波形 14163331.4.2反電動勢波形 15203861.4.3轉(zhuǎn)矩波形 1515141.4.4轉(zhuǎn)速波形 161.1PID控制算法PID控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，它是所有智能控制技術(shù)當(dāng)中最早出現(xiàn)的控制技術(shù)，因其控制可靠性高，調(diào)試簡單，魯棒性也比較好的特點(diǎn)，所以PID控制技術(shù)以經(jīng)廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)中。PID控制原理傳統(tǒng)PID控制原理框圖如圖1.1所示。圖1.1PID控制原理框圖PID控制原理是根據(jù)輸入，輸出兩者相減得到的誤差進(jìn)行比例，積分，微分的作用得到輸出值去控制被控對象，其輸出方程為：（1.1）u是控制器的輸出值，Ki是積分常數(shù)，Kp是比例常數(shù)，Kd是微分常數(shù)PID控制器傳遞函數(shù)表達(dá)形式為： （1.2）其結(jié)構(gòu)控制框圖如圖1.2所示圖1.2PID控制器結(jié)構(gòu)框圖通過調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)Ki,Kp,Kd可以讓被控系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。比例模塊：通過偏差量成比例的來控制被控對象以此來減少誤差。比例這個(gè)參數(shù)可以增加系統(tǒng)響應(yīng)速度，比例參數(shù)越大系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但同時(shí)系統(tǒng)也會出現(xiàn)超調(diào)，比例參數(shù)越小也不好，它會減少系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)變壞。比例控制因?yàn)槭抢孟到y(tǒng)的誤差來進(jìn)行控制的，所以它無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差控制。積分模塊：它的作用主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差控制，積分參數(shù)決定著積分環(huán)節(jié)的強(qiáng)弱，但是積分強(qiáng)度過強(qiáng)會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。微分環(huán)節(jié)：它的作用就是當(dāng)誤差量即將發(fā)生較大變化趨勢時(shí)提前發(fā)出校正信號從而達(dá)到快速調(diào)節(jié)的作用，但是要注意的是微分強(qiáng)度過強(qiáng)會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。（2）PID控制算法的局限性及其發(fā)展方向PID控制算法雖然其可靠性比較好，魯棒性強(qiáng)，調(diào)試簡單等特點(diǎn)而在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著社會的發(fā)展，被控對象越來越復(fù)雜，PID控制技術(shù)在某些場合已經(jīng)無法勝任這些復(fù)雜場合的控制任務(wù)了，而且PID參數(shù)的確定經(jīng)常是用豐富的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和大量的調(diào)試來得到，所以無法得到最優(yōu)秀的參數(shù)值。鑒于此就需要對PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)橹绷鳠o刷電機(jī)的參數(shù)是個(gè)時(shí)變參數(shù)，并且電機(jī)本身具有非線性等特點(diǎn)。使用傳統(tǒng)的PID控制算法很難做到精確控制，所以本次論文運(yùn)用模糊控制對無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行控制。1.2傳統(tǒng)PID控制算法仿真框圖無刷直流電機(jī)仿真系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，利用經(jīng)典PI控制算法。無刷電機(jī)控制系統(tǒng)總體框圖如圖1.3所示，無刷電機(jī)雙閉環(huán)總體仿真框圖如圖1.4所示。圖1.3模型控制系統(tǒng)總體框圖圖1.4無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型無刷電機(jī)雙閉環(huán)PI控制仿真模型采用的是PWM調(diào)節(jié)定子兩端端電壓進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子位置檢測的方法采用的是利用霍爾傳感器進(jìn)行檢測。由第2章分析可得PWM控制方式采用的是HPWM-LON控制方式，如圖1.5所示。圖1.5采用PWM方式調(diào)速時(shí)功率開關(guān)管調(diào)制方式由第二章分析可得開關(guān)管狀態(tài)和霍爾信號關(guān)系如表1.1所示表1.1開關(guān)管狀態(tài)和霍爾信號關(guān)系1.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)1.3.1轉(zhuǎn)速PI控制模塊轉(zhuǎn)速PI控制器是將轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到期望的電流值i*,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊示意圖如下圖1.6所示，其控制算法如下：（1.3）式中，Kp、Ki為PI算法的比例系數(shù)、積分系數(shù),i*為期望得到的電流值圖1.6轉(zhuǎn)速PI控制器轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)為0.3，比例常數(shù)為0.005，輸出期望電流值限幅為正負(fù)5。1.3.2電流調(diào)節(jié)PI控制模塊電流調(diào)節(jié)器是根據(jù)期望得到的電流和反饋電流的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到希望得到的PWM波的占空比，電流調(diào)節(jié)器的示意圖如圖1.7所示，其控制算法如下：（1.4）式中，Kp、Ki為PI算法的比例系數(shù)、積分系數(shù)，Te*為期望得到的PWM波的占空比。圖1.7電流PI調(diào)節(jié)器1.3.3轉(zhuǎn)速指令值模塊圖1.8轉(zhuǎn)速指令模塊由圖可知設(shè)置的無刷電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)1.3.4電壓源模塊圖1.9電壓源模塊由圖可知電壓源選擇的是直流電壓，其幅值大小為500V1.3.5三相逆變器模塊圖1.10三相逆變器模塊因?yàn)闊o刷電機(jī)定子繞組采用的是三相星型連接方式，所以驅(qū)動電路我選擇的是三相全橋驅(qū)動回路，其功率開關(guān)器件我選擇的是MOS管。1.3.6霍爾解碼模塊圖1.11霍爾解碼模塊霍爾解碼模塊是配合著后面整流模塊一起起到的作用就是按照邏輯關(guān)系將三相電流整成一條流過定子繞組的實(shí)際電流在反饋給電流環(huán)與期望電流作比較。1.3.7PWM模塊圖1.12PWM模塊該模塊的功能就是將三角波與電流調(diào)節(jié)器的輸出值進(jìn)行邏輯處理得到PWM波，由上述參數(shù)可以看出，三角波的頻率為1000Hz。1.3.8電機(jī)模塊圖1.13電機(jī)模塊無刷電機(jī)采用的是SimPowerSystems庫自帶的模塊，其定子電阻為2.875Ω，每相電感為8.5mH,電機(jī)極對數(shù)為4，反電動勢波形設(shè)置為梯形波。1.3.9驅(qū)動模塊圖1.14驅(qū)動模塊該模塊的功能就是根據(jù)根據(jù)霍爾輸出信號采用HPWM-LON調(diào)制方式來改變定子繞組端電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。1.3.10信號測量模塊圖1.15信號測量模塊該模塊是將電機(jī)輸出值進(jìn)行分束處理以便得到想要查看的信號波形，我選擇查看的信號波形是三相定子的反電動勢波形，定子電流波形，還有轉(zhuǎn)速，因?yàn)榈玫降霓D(zhuǎn)速是用弧度表示的，所以要經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚聿拍艿玫綄?shí)際的轉(zhuǎn)速。1.3.11負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊圖1.16負(fù)載轉(zhuǎn)矩模塊為了測試各個(gè)控制算法的魯棒性，需要模擬負(fù)載擾動，由圖1.16可以知道負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.25S由1N·m變?yōu)?N·m。1.3.12ac/dc整流模塊圖1.17三相整流模塊為了得到流過三相定子繞組的實(shí)際電流值進(jìn)行反饋，所以設(shè)計(jì)了該模塊將三相定子電流經(jīng)過邏輯關(guān)系處理得到實(shí)際電流值進(jìn)行反饋。1.3.13POWERGUI模塊這個(gè)是simulink仿真必備的一個(gè)工具，做電力電子仿真一般都需要，可用于設(shè)置仿真離散時(shí)間，或者是做其他分析用。圖1.18POWERGUI模塊1.4仿真結(jié)果仿真實(shí)驗(yàn)中取電源為500V的直流電源，系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)置為0.5s，初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1N?M，給定轉(zhuǎn)速n=1500(rpm)。0.25s時(shí)增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩4N?M，得到的三相電流，反電動勢波形以及轉(zhuǎn)速波形如下圖所示。1.4.1三相電流波形圖1.19三相定子電流波形無刷電機(jī)開始啟動時(shí)會產(chǎn)生大的沖擊電流，然后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用慢慢恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，在0.25s后隨著轉(zhuǎn)矩突然增加，定子電流也隨之增大。1.4.2反電動勢波形圖1.20定子三相反電動勢由第二章分析可以得到定子三相反電動勢是相位相差120度電角度的梯形波。1.4.3轉(zhuǎn)矩波形圖1.21電磁轉(zhuǎn)