基于内模控制的直流无刷电机调速系统设计

　　1　引言

　　无刷直流电机是新一代机电一体化产品,它既具备异步电机结构简单、运行可靠和维护方便等特点,又具有直流电机的运行效率高,调速性能好等诸多优点。因此无刷直流电机在许多工业和生活领域都得到广泛应用[1~2]。本文在建立无刷直流电机数学模型的基础上,详细分析了无刷直流电机的工作原理和调速特点,并针对双闭环调速系统的无刷直流电机调速系统中存在的问题进行改进。

　　2　直流电机模型

　　本文研究的是无中性线Y形连接的三相无刷直流电动机,它代表了许多应用场合中的绝大多数无刷直流电机,无刷直流电机电势平衡方程式为:U=E+Iacpracp+ΔU式中:U为电源电压;E为电枢绕组反电势;Iacp为平均电枢电流;racp为电枢绕组的平均电阻;ΔU为功率管饱和压降,对于桥式换相电路为2ΔU。对其进行建模可得三相无刷直流电机的动态数学模型框图[2]如图1所示。

　　图2中,TtTt为电枢回路电磁时间常数;TsTm为拖动系统机电时间常数。无刷直流电机的转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3所示。图3中,Ts为晶体管触发与整流装置的滞后时间常数。

　　3　内模控制

　　3.1　内模控制系统的特点

　　内模控制的基本结构如图4所示,图中P(s)为实际被控过程对象,M(s)为被控过程的数学模型,Q(s)为内部模型,U(s)为内模控制器,r,y,d分别为系统的输入、输出和干扰信号。通过求取参考输入r和扰动输入d与过程输出y之间的传递函数得出系统闭环响应为

从图4可知,其反馈信号为 D(s)=[P(s)-M(s)]U(s)+D(s)。当模型匹配时,P(S)=M(S),若选择Q(S)=M-1(S),且该系统可实现,则Y(S)=R(S),此时系统的输出始终等于输入,不受任何干扰,具有较强的鲁棒性。

　　3.2　基于内模控制的双闭环调节器的设计

　　对于转速,电流双闭环这样的多环系统,可按常规的工程设计方法进行设计

　　3.2.1　电流调节器的设计

　　通过观察电流环的动态结构,可以看到电流环内存在电动机反电动势产生的交叉反馈,它代表转速环输出量对电流环的影响。由于转速环尚未设计,要考虑它的影响是比较困难的。但是在实际系统中,由于电枢回路的电磁时间常数一般都要比电力拖动系统的机电时间常数小得多,因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多,也就是比电动机反电动势E的变化快得多,反电势对电流环来说只是一个缓慢变化的扰动作用,由双闭环调速系统起动过程的分析可以看出,当电流调节过程结束时,反电势只有很小的变化,因此在电流调节器快速调节过程中,可以认为反电势E基本不变,即认为ΔE≈0。按工程设计方法,对电流环作适当的近似和简化处理[1],可得电流环的简化动态结构图如图5所示。