反向旋转永磁无刷电机的双闭环控制系统的建模和仿真(文献翻译)

基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）1反向旋转永磁无刷直流电机的双闭环控制系统建模和仿真班级（学号）姓名摘要：水下无人运输机（UUV）在军事和民用方面都有很重要的应用，UUV传统的动力系统采用的是旋转螺旋桨推进系统，但却有一些缺点，例如：动力系统效能低，噪声高，体积大。正是因为UUV传统动力系统有这些缺点，这份研究探究了一种新的动力系统，即反向旋转永恒磁力无刷直流电机（无刷直流电机）。本文讨论了反向旋转永恒磁力无刷直流电机的数学模型；在普通的永恒磁力无刷直流电机和自适应速度控制器设计基础上，自适应速度控制器采用的结构为双闭环控制系统，即里面是电流环路而外面是速度环路组成的双闭环系统；本文在Matlab/Simulink的基础上进行了反向旋转永恒磁力无刷直流电机的建模和仿真。仿真结果显示双闭环控制系统的设计与理论分析是一致的，同时与之前的UUV动力系统相较，双闭环控制动力系统大大地改善了动力系统的性能，减少了显著噪声，减少了体积，节省了空间。因此，研究表明反向旋转永恒磁力无刷电机的双闭环控制系统可以实现UUV动力系统的一些性能改善。关键词：永恒磁力直流无刷电机，电流环路，速度环路，数学模型，仿真。Ⅰ引言水下无人运输机器（UUV）在军事和民用都有很重大的应用。在军事中，UUV可以被用作潜水艇自动防御和攻击的工具，例如，由潜水艇鱼雷发射UUV用以水下监测和侦测敌人的地雷区，同时也可以用于追踪和摧毁敌人的潜水艇。而在民用方面，UUV则是人类的一个进步性发明，同时它也是开发海洋资源不可缺少的工具，例如海洋资源探测，海洋科学检测等等。然而，传统的UUV动力系统是螺旋桨推进系统，它有低效能高噪声的大缺点。UUV的新动力系统开始采用反向旋转永恒磁力无刷直流电机，与之前的动力系统相比较，大大地增加了有效性，噪音也显著下降，减少了体积从而节省了更多的空间。本文设计了反向旋转永恒磁力无刷电机的双环路控制系统，并且实现了他的建模和仿真，本文有助于UUV动力系统的一些性能改善。Ⅱ反向旋转永恒磁力无刷电机的双闭环控制系统数学模型分析反向旋转永恒磁力无刷直流电机的双闭环控制系统于文献[1]已经被详细描述，在本文中将不会描述太多。一般应用通常使用速度和电流的双闭环结构去调速，因为这在反基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）2向旋转永恒磁力无刷直流电机和一般的永恒磁力无刷直流电机并没有很大的区别，但是反向旋转永恒磁力无刷直流电机的转子是旋转的，所以可以向一般无刷直流电机一样设计成双闭环控制系统。反向旋转永恒磁力无刷直流电机的速度校准系统动力结构如图1所示。它包含了电流的ACR校准器，ASR电压校准器，电流滤波和速度滤波和很多环节，以及电子功率设备，而不是最开始的惯性设备。因为侦测信号包含直流电流，控制系统需要增加低通滤波器来防止影响到校准器的输入，滤波器的时间常数Toi，为了平衡滤波环节引起的延迟，需要给定一个同样的滤波时间常数，它叫做滤波环节。显然，速度环也加入了滤波环节，滤波时间常数是Toi而且速度环加入了一个给定的时间常数也为T的滤波环节，由此可以设计出简易的电流和速度校准器。图1双闭环控制系统动力结构A.电流校准器的设计因为反电动势与电流反馈相互作用，见图2，对电流环的设计产生了影响。反电动势与速度变化是成比例的，引擎变化速度往往远远慢于电流，所以反电动势是电流环的一个很小的干扰。在一定的条件下反电动势在电流变化的过程中保持稳定，就是△E=0。因此，设计中电流环产生的动力效能，不能将旋转电动势的影响考虑进去，此时电流环的近似结构如图2（a）所示，如果忽略电流环反电动势的近似条件：3ctmlTT（1）其中，ωci是电流环开路的截止频率。如果给定滤波器和反馈滤波器与在两个环节的环内传送的是相同的，当给定信号变为*i()/Us，电流环单元与负反馈系统相同，如下图2（b）所示。最后，因为TS和Toi远远小于T1,惯性可以看作一个集体并且近似为惯性环节，它的时间常数为：oiSiTTT（2）在简化条件下：基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）3oi13cisTT（3）另外，电子功率设备在最开始的惯性设备条件而不是近似条件下：1/3cisT（4）此时，电流环结构可以简化为下图2（c)。因为有PI型的电流校准器，电流环可以修正为Ⅰ型系统，转移函数可以写成：1ttACRtKsWss（5）其中，Ki：电流校准比例系数，i：电流校准前的时间常数。为了消除校准器零点和控制对象较大的时间常数极点，令：ttT（6）此时，电流环框图的动力结构变成了一个典型结构，如图3示。isIiKKKR（7）因为电流校准器的参数为Kt和Tt，Tt已经确定，未知参数是比例因子Kf，Kf可以通过需要的动力性能来确定，在一般情况下：图2动力简化结构的电流环基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）4图3校正后的电流环我们希望电流的超调量小于i5%，根据校准器的工程设计，要求=0.707，则：i12IctKT（8）从（6）和（7）式可以计算得：1i2iSTRKKT（9）因此用这种方法是可以确定电流校准器的参数。B.速度校准器的设计为了简化电流环的设计，它首先应该使与里面的电流环等效，以满足使电流环成为速度环的一个环节。双回路电流环的转移函数如下：*i211ss1cliiIIIssTUsKK（10）同样条件下时：i13IcnKT（11）把图1中的电流环用等效电流环代替后，速度控制系统的动力结构如下图4（a）所示。与电流环一样，给定的滤波器和反馈滤波器环节的速度在环内传送，同时将原信号变成*()/nUs，可以获得负反馈系统如图4（b)所示。然后把1/KⅠ和Ton的两个小惯量等效于一个时间常数，速度环结构可以简化为图4（c)中的结构图，其中：on1nITTK（12）基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）5近似为：on13IcnKT（13）速度控制器也是使用PI型，速度环可以化为一个典型的Ⅱ型系统，以满足系统强抗干扰的动力性能要求。转移函数如下：1snnASRnKsWs（14）因此，开路控制系统的转移函数为：nn22n111/s(1)11nnnnNnemnemnnKsKsKsRWsCTsTsCTsTssTs（15）然后，开路速度环增益Kn是：nNnemKRKCT（16）速度校准器的参数包括Kh和h与第二类典型系统参数关系一致的话，有：nnhT（17）2212NnhKhT（18）其中，h是带宽，有：m(1)2ennhCTKhRT（19）基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）6图4动力速度环和简化结构图表Ⅲ反向旋转永恒磁力无刷直流电机双环路控制系统基于MATLAB的仿真结果和分析A.反向旋转永恒磁力无刷直流电机的仿真参数设定电机参数如下：定子绕组相抗：R=0.007欧姆；相电感：L=0.95mH；电机常数：Ce=2.28Vs/rad；定子和转子的转动惯量为：Js=Jr=1.992kgm；定子和转子轴的摩擦系数为：Bs=Br=2.41/Nmsrad；电机极对数：P=4；额定电流：156A；额定电压：220V；速度：350rpm.B.仿真结果及分析根据上述分析，本文建立了数学模型并将其用于反向旋转永恒磁力无刷电机无刷直基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）7流电机的双闭环控制系统。图5所示是基于Matlab的控制系统仿真模型，反相器保持在进行PWM调制的下电子管和保持下电子管开启，通过在比较器上加一个载波比较电流校准的输出之后，输出信号满足谐波整流模块的电极管输出，然后和下电极管信号一起加到反相器上去，这两个PI控制器的输出是有限的，其振幅是40，PI参数如下：电流校准参数：Kpf=0.916,Kh=104,速度校准参数：Kpb=2.88，Kpv=40。图5反相旋转永恒磁力无刷直流电机仿真系统仿真结果如图6图7图8所示，图6是控制系统的仿真波形，电机在最大的恒定电流值下启动，角速度线性增长，电流急速衰减，不久角速度过大，控制器进行校准后，最终的角速度是稳定在既定值，此时，角速度超调量是24.5%。图7展示了力矩和角速度曲线，从图7，我们可以看出，电机在恒定力矩下启动时，在调整速度以达到最后的稳定状态值时，控制性能更好。图8显示了六个电极管驱使信号波形和电机三相电流波形，从图8可以看到六个电极管的波形与理论分析一致。基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）8图6控制系统仿真结果Ⅳ结论根据反向旋转永恒磁力无刷直流电机的运行规则，本文提议了双闭环控制系统而且建立了数学模型，也给出了基于实验平台为Siumulink和Matlabd上双闭环控制系统的仿真结果，仿真结果验证了理论分析的正确性，也提供了一个发展和设计UUV动力系统的理论基础。基于DSP芯片的无刷直流电机控制系统研究（文献翻译）9图7角速度和力矩的仿真波形图8驱动信号和三相电流的波形