無刷直流電機無傳感器速度控制系統(tǒng)――文獻翻譯

1、基于反電動勢模糊觀測器的提高無刷直流電機性能的驅動研究Byoung-Gun Park等漢陽大學電氣工程學院彭振峰譯摘要:本文提出了一種新穎的無刷直流電機的驅動方案,通過設計反電動勢的模糊觀測器來提高傳統(tǒng)無傳感器無刷直流電機的工作性能。現(xiàn)有的大多數(shù)無刷直流電機的無傳感器控制方案的暫態(tài)性能及低速范圍下性能不佳,有時需要附加電路。為了解決這個問題,同時注意到無刷直流電機的反電動勢是梯形波的特點,利用模糊邏輯來估計反電動勢的方法對于設計高性能的電機驅動來說是合適的。本文中提出的算法利用模糊邏輯對反電動勢進行觀測,能夠實現(xiàn)對一個外界條件變化的魯棒控制,同時能實現(xiàn)對電機在穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)時的轉子速度的連續(xù)估測。

2、本文所提出的算法的魯棒性通過仿真得到了驗證,并和其他的無傳感器驅動方式做了比較。I.引言無刷直流電機(BLDC應用廣泛,如家用電器,計算機,自動辦公設備,工廠自動化機器人以及許多精密電子儀器的驅動中都有其應用。無刷直流電機有著直流電機的許多優(yōu)點,如容易控制,高扭矩,高效率及緊湊小巧的特性。同時,不再需要對電刷進行維護,以及通過改變電機中轉子和定子的位置,其他許多的由于電刷和換向器的機械磨損帶來的問題都得到了改善。為了取代電刷和換向器的功能,無刷直流電機需要一個逆變器和一個位置傳感器,位置傳感器檢測轉子的位置,為電流逆變器提供正確的逆變時序。然而,安裝位置傳感器帶來的費用及可靠性問題促使了人們對

3、無位置傳感器的直流無刷電機驅動方案的研究。近年來,許多的無傳感器無刷直流電機控制方案被相繼提出,以提高無位置傳感器的無刷直流電機的性能。然而,現(xiàn)有的大多數(shù)無傳感器控制方案在低速范圍及暫態(tài)下性能不佳,有時還需要附加電路。本文提出的反電動勢模糊觀測器使用模糊邏輯對方程進行近似,并利用觀測器的輸出結果設計了一個新穎的無傳感器控制方案。由于模糊邏輯能實現(xiàn)對形如無刷直流電機的反電動勢的方程的近似,不論是變化的還是恒定的反電動勢都能被該模糊觀測器很好的近似出來,因此,對反電動勢的準確估測實現(xiàn)了對無刷直流電機的位置和速度的準確估測,從而使得該控制方法對參數(shù)變動的魯棒性更強。該算法的魯棒性通過仿真及與其他方案

4、的比較得到了驗證。II.無刷直流電機驅動系統(tǒng)通常情況下,無刷直流電機的驅動系統(tǒng)可以通過如下的等效電路來模擬。該電路的每一相都包含一個電阻,一個電感以及反電動勢。等效電路及驅動系統(tǒng)如圖1所示。 圖1:常用無刷直流電機的運行情況。(a 等效電路。(b 反電動勢,相電流及轉矩的波形。假設自感及互感均為常量,三相的電壓方程為 轉矩方程為 其中c b a v v v ,為相電壓,c b a R R R ,為相電阻,c b a i i i ,為相電流,c b a L L L ,為相電感,c b a e e e ,為相反電動勢。m 為轉子角速度。III.無傳感器控制方案A.無傳感器控制算法無傳感器控制的總框

5、架如圖2所示: 圖2:本文所提的容錯驅動系統(tǒng)的總體結構每相的電流控制器都使用滯環(huán)控制。線電壓值通過直流電源及逆變器的開關狀態(tài)來計算得到。通常的無刷直流電機控制系統(tǒng)啟動時,強制將轉子定位在某個初始位置上。這種初始化方法同樣用在本文所提出的控制系統(tǒng)中。反電動勢模糊觀測器輸出反電動勢的估計值,速度、轉子位置及換向方程根據(jù)估測到的反電動勢計算得到。換向信號發(fā)生模塊根據(jù)計算得到的位置值及換向方程產(chǎn)生換向信號。B.反電動勢模糊觀測器反電動勢模糊觀測器由兩個部分組成,一個是基于無刷直流電機系統(tǒng)狀態(tài)方程的電流觀測器,另一個是基于模糊邏輯的方程近似器,用以表示反電動勢干擾模型。文中所提出的反電動勢模糊觀測器的結

6、構如圖3所示: 圖3:反電動勢模糊觀測器的結構框圖由于無刷直流電機的中位點在生產(chǎn)后是未知的,電流觀測器使用如下線電流方程: 系統(tǒng)的狀態(tài)方程由式(4和式(5表示。 其中, 在式(4中,反電動勢作為系統(tǒng)的干擾項。該干擾項很難預測。通常情況下,只要增加多項微分方程的階數(shù),就可以用一個擾動模型來表示大多數(shù)的擾動模型。然而,這個擾動模型不能準確地表示出無刷直流電機的梯形波反電動勢,因此在本文反電動勢擾動模型中應用了一個能擬合任意非線性方程的模糊方程近似器來估測反電動勢。該模糊方程近似器的輸入為無刷直流電機的線電流的實際值與估測值之間的誤差,及該誤差的微分。輸入量如以下兩式所示: 模糊方程擬合過程包含了三

7、個階段:模糊化、推理、解模糊。1模糊化:模糊化的過程通過使用隸屬函數(shù)將輸入轉化為模糊變量。每一個輸入和輸出都有7個相關聯(lián)的模糊集,用直白的語言描述為:大的負數(shù)(NL,中等負數(shù)(NM,小的負數(shù)(NS,零(ZE,小的正數(shù)(PS,中等正數(shù)(PM,大的正數(shù)(PL(如圖4所示。所有的隸屬值都被定義在區(qū)間-1,1之間。 圖4:隸屬函數(shù)。2推理:在這個步驟中,模糊化的輸出結果都是通過一個規(guī)則庫來決定。如下是一個常見的規(guī)則:如果(條件1并且(條件2那么(結論模糊方程近似器的擬合原則包含49條規(guī)則。采用的推理規(guī)則是Mamdani提出的最大-最小原則。 表1即為規(guī)則庫。規(guī)則庫中包含了輸入和輸出變量的描述。表1模糊

8、推理規(guī)則庫 3解模糊:推理機制的輸出是一個模糊變量。模糊方程近似器必須將它內部的模糊輸出變量轉化為明確的數(shù)值以便實際系統(tǒng)能夠使用這些數(shù)值變量。一種最常用的轉化方式是獲取重心(COA 的方式。解模糊后的輸出根據(jù)下式來確定: 如果在K 時刻,解模糊后的輸出值是(k eab ,則觀測器輸出的總結果為 C.換向方程本文中,換向方程通過前文所提到的反電動勢模糊觀測器得到的反電動勢估測值來定義。圖5為換向方程的圖像。 電角度圖5:換向方程盡管文獻8中提及了相關的換向方程,但是根據(jù)本文的換向方程,換向的閾值更容易確定,因為在換向前方程為負值。同時,由于該換向方程由反電動勢的估測值得到,因此它對噪聲擾動有較強

9、的魯棒性。換向方程如下所示:D. 速度、位置估計 在無刷直流電機中，反電動勢的幅值與速度有如下關系： 式中， E 為反電動勢的幅值， K e 為反電動勢常數(shù)， e 為電角速度。 電機的速度同樣可以通過反電動勢來估測。狀態(tài)觀測器如下所示： 式中 m 為估測得到的機械角速度。P 為極對數(shù)。 通過對轉速的積分可以得到轉子的位置信息。 0 為轉子的初始位置。 IV. 仿真結果 為了驗證本文所提出的控制算法的魯棒性， 做了一系列的仿真， 并將仿真結果與使用多 階微分方程來擬合反電動勢的擾動模型做了比較。仿真用到的無刷直流電機的規(guī)格見表 2： 表2 無刷直流電機的指標與參數(shù) 圖 6 為使用一階微分方程的反

10、電動勢擾動模型的仿真結果。圖 6（a）（b）顯示當反電 ， 動勢恒定不變時，估測結果比較滿意。但當反電動勢改變時，估測值出現(xiàn)了延時。因此， 瞬 態(tài)下轉子轉速、換向信號都出現(xiàn)了延遲，如圖 6（c）（d）所示。 ， 圖 7 為使用二階微分方程的反電動勢擾動模型的仿真結果。 和一階微分方程的情況下相 比，變化的反電動勢也能有比較好的估測值，但在反電動勢恒定不變的情況下估測值不佳， 如圖 7（a）（b）所示，這導致了轉子速度在穩(wěn)態(tài)情況下有波動，見圖 7（c）所示。但換向 ， 性能較好，見圖 7（d） ，因為它在變化的反電動勢的估測上效果更優(yōu)。 圖 8 中使用反電動勢模糊觀測器來解決多項式微分擾動模型的

11、問題。 由于模糊邏輯能估 計形如無刷直流電機的反電動勢的方程， 因此不僅是恒定的還是變化的反電動勢都能很好地 用反電動勢模糊觀測器估計出來，如圖 8（a）（b）所示。從而，暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)下轉子的速度 ， 及換向信號都能明顯優(yōu)于使用多項微分方程的反電動勢擾動模型。 圖 6. 使用一階微分方程的反電動勢擾動模型的仿真結果。 （a）轉子速度（b）線反電動勢 （c）擴展的線反電動勢（d）換向信號 V. 結論 傳統(tǒng)的無刷直流電機無傳感器控制方案在瞬態(tài)及低速范圍內性能不佳， 有時還需要附加 電路。 為了解決這個問題， 本文構造了一個反電動勢模糊觀測器， 連續(xù)不斷地閉環(huán)估測梯形狀 反電動勢，并利用換向方程得到換向信號。同時，該算法使用反電動勢模糊觀測器能實現(xiàn)對 改變一個外界條件的魯棒控制，在靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)下連續(xù)不斷地估計轉子的轉速。 因而， 本文所提出的無傳感器控制方案不需要附加電路， 且比傳統(tǒng)的無傳感器控制方案 有更優(yōu)的性能。 另外， 該方案能很好