降低无刷直流电机转矩脉动的智能控制器设计

shanthamoorthy1, N.M Jothi swaroopan2

PG学生[PED]， EEE, R.M.K工程学院，金奈，泰米尔纳德邦，印度
印度泰米尔纳德邦金奈R.M.K工程学院EEE系教授

摘要

无刷直流电动机(BLDCM)是一种迅速普及的电机类型。由于其固有的低惯性、高动态响应、无噪音运行、更高的速度范围和高效率等优点，它们被广泛应用于航空航天应用、汽车、消费、医疗、工业自动化设备和仪器仪表等行业。此外，扭矩与电机尺寸的比例较高，使其在空间和重量是关键因素的应用中有用。无刷直流电动机存在转矩波动大的缺点，会引起噪声和振动等问题，影响系统的性能。它总是首选具有更快，更平稳的速度响应和减少电流和转矩波动的驱动器。本项目实现了一种简单的控制方案，不需要知道反电动势和形状函数，甚至不需要复杂的计算。为了解决传统PI转速控制器存在的问题，提出了基于模糊的转速控制器来消除转矩波动。它设计简单，省去了复杂的数学计算。仿真结果验证了该系统的有效性。利用MATLAB/SIMULINK对其性能进行了验证

关键字

无刷直流，电动势，PI控制器，模糊逻辑控制器。

介绍

具有直流电动机特性，但不带换向器和电刷的电机称为无刷直流电动机。目前，传统的直流电动机在很多情况下正被无刷直流电动机所取代。它们由直流电压驱动，但电流换流是由固态开关电子完成的。BLDC电机有许多不同的电压等级(即)，从48伏或更低电压的电机用于汽车、机器人等，到100伏以上的电机用于自动化和工业应用。无刷直流电动机比有刷直流电动机和感应电动机有许多优点。其中一些是

Ã¯Â Â·更好的速度vs扭矩特性

Ã¯Â‑Â·高动态响应

Ã¯Â‑Â·高效

Ã¯Â‑Â·使用寿命长

Ã¯Â‑Â·无噪音操作

Ã¯Â‑Â·高速范围

无刷直流电动机的转矩主要受反电动势波形的影响。扭矩与电机尺寸的比例较高，使其适用于空间和重量是关键因素的应用。通常无刷直流电动机有梯形反电动势波形馈电与矩形定子电流，这给一个恒定的转矩。但在实际应用中，转矩脉动主要是由于电动势波形不完善、电流脉动和相电流换相等原因造成的。介绍了无刷直流电动机的简单电机模型，分析了采用PI调速控制器和模糊控制器对转矩脉动的抑制作用。

2结构及工作原理

无刷直流电机也被称为电子换向电机，因为转子上没有电刷，换向是在某些转子位置进行电子的。定子相位绕组插在槽中，也可以作为一个线圈绕在磁极上。永磁体的磁化强度及其在转子上的位移是这样选择的，以获得梯形反电动势。这使得三相电压系统的矩形形状被用来产生一个旋转场，以减少转矩波动。从这个角度来看，无刷直流电动机相当于反向直流换向器电机，当导体保持静止时，磁体旋转。

并通过换向器和电刷进行反转，但在无刷直流电机的情况下，极性反转是通过半导体开关获得的，该开关将与转子位置同步打开或关闭。除了较高的可靠性，无换向器还有另一个优点。这个换向器也作为一个限制因素，在最大速度的直流电动机。因此，对于更高速度的操作采用无刷直流电动机。用无刷直流电动机代替直流电动机对控制算法和控制电路有更高的要求。最初，无刷直流电动机通常被认为是一个三相系统，因此它必须由三相电源退出。然后转子位置的某些角度必须知道，以匹配应用电压与反电动势。反电动势和换向事件之间的对齐是非常重要的。在这种情况下，电机作为直流电机运行，并在最佳工作点运行。但无刷直流电动机的缺点是由于需要转换电路和转子位置测量是由优异的性能和可靠性来平衡的，也由于功率元件和控制电路的价格上涨。

3无刷直流电机的数学模型

无刷直流电动机的建模可以用与三相同步电机相同的方式进行。有些动态特性不同，因为转子上装有永磁体。磁材料决定电机的磁链。因此，饱和的磁通量是典型的这类电机。与任何典型的三相电机一样，无刷直流电动机的一种结构由三相电压源激励。源可能不需要是正弦的。当峰值电压不超过电机的最大电压限制时，可施加方波或其他波形。同样，无刷直流电动机电枢绕组的模型表示如下。

在那里,

L为电枢自感[H]

r型电枢电阻[Ω]

Va,Vb,Vc -终端相电压[V]

ia,ib,ic电机输入电流[A]，

电机反电动势[V]

在三相无刷直流电动机中，反电动势与转子位置有关，转子位置与各相的反电动势相位差为120，因此各相的反电动势方程为

在那里,

Kw为一相反电动势常数同意[v/rad.s-1]

θc-电转子角[单位:度]

ω -转子转速[rad.s-1]

电转子角等于机械转子角乘以极对数P:

在那里,

θmis，机械转子角[rad]总转矩输出可以表示为每个相的总和。下式表示总扭矩输出:

Te为输出总扭矩[Nm]，

机械部分的方程表示如下

在那里,

Tl为加载扭矩[Nm]，

J -转子和耦合轴的惯量[Kgm2]

B -摩擦常数[nm .rad-1]

四、无刷直流电机的simulink模型

给出了无刷直流电动机的simulink模型

与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的换向是电子控制的。为操作无刷直流电动机，定子绕组应按顺序通电。重要的是要知道转子的位置，以了解哪个绕组将退出之后的激励序列。转子位置由固定在定子上的霍尔效应传感器获得。大多数无刷直流电动机在转子的非驱动端定子中嵌入三个霍尔传感器。

当转子磁极穿过霍尔传感器时，获得高或低信号，表明北极或南极正在通过传感器附近。计算的准确顺序可以根据这三个霍尔传感器信号的组合来确定。

转换块是根据下列公式开发的

其中一个霍尔传感器每旋转60个电度就会改变状态。完成一个电循环需要六个步骤。与此相对应，相电流开关应每60电度更新一次。然而，一个电循环可能并不对应转子的一个完整的机械旋转。要重复完成机械旋转的电循环次数由转子极对决定。每对转子极对完成一个电度。每次旋转的电循环数等于转子极对。

V.CONTROLLER设计

控制器在确定系统的瞬态或动态响应方面起着重要作用。基本上，传统的PI控制器用于大多数驱动应用，但传统的PI控制器速度滞后，如果系统在数学上建模复杂，其调谐是一个非常严重的问题。此外，如果系统是非线性的，PI控制器不能有效地工作。这就需要寻找其他合适的控制器。它不需要对系统的数学模型进行任何设计或调优，但它需要系统及其行为方面的专业知识和经验。模糊控制器具有良好的瞬态特性，可使系统响应速度较快。同时几乎消除了系统中的瞬态超调。因此，对于具有非线性特性的系统，模糊控制器是最合适的选择之一。因此采用模糊控制器来减小无刷直流电动机驱动中的转矩波动

比例积分控制器设计

PI速度控制器的模型为:

其中G(s)为控制器传递函数，即s域转矩误差比。Kp是比例增益，Ki是积分增益。这些参数的调谐是使用齐格勒尼克尔斯方法，使用相位和增益裕度规格。驱动器应用的规格通常可根据超调百分比和稳定时间提供。PI参数的选择是为了将极点放置在合适的位置以获得所需的响应。

这些参数采用齐格勒-尼克尔斯方法得到，保证了稳定性。根据仿真得到的动态响应，得到了测量瞬态响应的超调量百分比(Mp)和沉降时间(ts)。在空载工况下，系统的闭环传递函数为

式中T(s)为闭环传递函数，Kp, Ki为PI控制器参数，J为转动惯量，B为摩擦系数

模糊控制器设计

模糊控制器是一种基于规则的控制器。它有输入、处理和输出三个阶段。输入或模糊化阶段映射传感器或其他输入，如开关，拇指轮等，到适当的隶属函数和真值。处理阶段调用每个适当的规则并为每个规则生成结果，然后组合规则的结果。最后，输出或去模糊化阶段将组合结果转换回特定的控制输出。这里使用三角形成员函数，尽管梯形和钟形曲线及其位置比形状重要得多。

从3到7通常适合覆盖输入值或模糊语言中的“公开范围”的所需范围。有几种不同的方法来定义规则的结果，但最常见和最简单的一种是“max-min”推断方法，其中输出隶属度函数由承诺生成的真值给出。给出了模糊控制器的仿真框图。

模糊规则是一个7*7的决策表，有两个输入变量和一个输出变量。分别代表负大、负中、负小、零、控制器的7个语言变量(NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB)定义的输入输出规则查找表分别收敛于表1中的正小、正中、正大参考值。

为简单起见，隶属函数以指数形式表示为

隶属度函数是任意两个输入的交集，例如误差(e)和误差变化(Δe)写为

其中a,b定义为每个语言变量的区间，x为模糊输入或输出变量，i,j表示标签数1,6,7。由于三角形隶属函数具有最佳的控制性能和简单性，因此选择三角形隶属函数。这种情况下，隶属度的高度是1。

对相邻的模糊子集提供50%的重叠。参考电流发生器的输入是参考转矩(T*)和转子位置信号(θr)。3Ã Â电流(I*)的大小由参考转矩(T*)确定。根据转子位置，参考电流发生器产生参考电流(ia*，ib*，ic*)。这些参考电流被馈送到电流控制器。

为简单起见，隶属函数以指数形式表示为

隶属度函数是任意两个输入的交集，例如误差(e)和误差变化(Δe)写为

其中a,b定义为每个语言变量的区间，x为模糊输入或输出变量，i,j表示标签数1,6,7。由于三角形隶属函数具有最佳的控制性能和简单性，因此选择三角形隶属函数。这种情况下，隶属度的高度是1

六、仿真结果

第七章结论

采用模糊逻辑控制器(FLC)对永磁无刷直流电动机的转矩波动进行了抑制，并对模糊控制器的性能进行了分析。本文对整个传动系统进行了建模和仿真。该模型的有效性是通过在大范围运行条件下的性能预测来确定的。通过仿真，将模糊控制器与传统控制器进行了性能比较，验证了模糊控制器的有效性和优越性。可以看出，在逆变器换相过程中，在适当的输入电压下，转矩脉动明显减小。在1500r/min转速下，转矩脉动由约67.8%下降到55%。

参考文献

an885“无刷直流电动机(BLDC)的基本原理。
Wael A. Salah, DahamanIshak, Khaleel j. Hammadi(2011)，“无刷直流电动机转矩脉动最小化的PWM开关策略”，电气工程学报，第62卷，第1期。3.
FarhadAghili(2011)，“有限驱动器/放大器带宽下高速无刷直流电机的波纹抑制”，IEEE控制系统技术，vol.19,no.2。
陈勇，唐军，蔡东生，刘霞(2012)，“基于电流预测和重叠换相的无刷直流电动机转矩脉动抑制”电气评论。
王树成(2008)“通过修正正弦PWM降低无刷直流电动机纹波转矩”Fairchild半导体电源研讨会。
S.J Sung, G.H. Jang，和H.J. Lee(2012)，“转矩脉动和不平衡磁力的BLDC电机由于槽绕组之间的连接电线”，IEEE磁通，vol.48, No.11。
Leila Parsa，和Lei Hao(2008)“减小转矩脉动的内置永磁电机”IEEE工业电子学报，第55卷，第2期。
G. Prasad, N. SreeRamya, P.V.N. Prasad, G. Tulasi Ram Das(2012)，“基于MATLAB的无刷直流电机建模与仿真分析”国际创新技术与探索工程杂志(IJITEE)。
S. Sivakotiah, J. Rekha(2011)“基于模糊逻辑控制器的谐振极逆变器无刷直流电机速度控制”国际工程科学与技术杂志(IJEST)。
Joong-Ho Song和Ick Choy(2004)“在无刷直流电动机驱动中使用单一直流电流传感器减少转矩脉动”IEEE Trans。电力电子,VOL.19,没有。
Ki-yongnam,Woo-taiklee,choon-man lee,jung-pyuhong(2006)，“通过改变输入电压来降低无刷直流电动机的转矩脉动”，IEEE。铁矿,VOL.42,没有。4 ．
Dae-Kyong Kim, Kwang-Woon Lee和Byung -II Kwon(2006)，“无位置传感器BLDC电机驱动中的换相转矩脉动降低”IEEE Trans。电力电子,月不。6。
陆海峰，张磊，曲文龙(2008)，“一种新的非理想反电动势无刷直流电机转矩脉动最小化的转矩控制方法”，IEEE。电力电子,Vol.23,第二。
史廷娜，郭云涛，宋鹏，夏长良(2010)，“一种基于DC-DC变换器的无刷直流电动机换相转矩脉动最小化新方法”。工业电子学，VOL.57,NO.10。
BoussadBoukais和HoucineZeroug(2010)，“在无刷直流电机驱动中减少换向转矩脉动的磁铁分割”，IEEE Trans。磁学，VOL.46,N0.11。
方建成，李海涛，韩邦成(2012)，“非理想反电动势无刷直流电机转矩脉动抑制”，IEEE。电力电子学，VOL.27,NO.11。
A.R.Anjali，(2013)“基于模糊逻辑控制器的三相无刷直流电机控制”，工程技术学报(IJERT) ISSN:2278-0181，卷。2，第7期。
Bimal K Bose，“现代电力电子与交流驱动”，亚洲培生教育2002。
Bozo Terzic, Martin Jardic(2001)，“基于扩展卡尔曼滤波器的直流电动机转速和转子位置估计的设计与实现”，IEEE Trans。工业电子，Vol.48, No.6，，pp.1065-1073。
Byoung-Gun Park, Tea-Sung Kim, Ji-Su Ryu, and Dong-Seok Hyun(2012)，“提高无传感器无刷直流电机驱动性能的模糊反电势观测器”，IEE Trans。印第安纳州,达成。
S. Funabiki和T. Himei，(2011)，“在无刷直流驱动系统中，由于变换器和逆变器行为的转矩脉动估计，”电机工程学报。，卷132，页B, no。4，第215-222页。
Tan CheeSiong, Baharuddin Ismail, Siti Fatimah Siraj, MohdFayzul Mohammed，(2011)“无刷直流永磁电机驱动的模糊逻辑控制器”，国际电气与计算机科学杂志IJECS-IJENS，第11卷第02期。
T. M. Jahns，(1984)“矩的产生在永磁同步电机驱动矩形电流激励，”IEEE Trans。印第安纳州,达成。，vol. IA-20, no. 4, pp. 803-813.