无刷直流电机混沌动态滑膜变结构算法研究

王绍彬+李峰+钱伟康+侯伟+张晓

摘要：无刷直流电机（BLDCM）在运行过程中会产生非线性混沌运动，从而造成电机转矩脉动。针对BLDCM的不确定模型和存在干扰项的混沌运动系统，根据BLDCM的混沌特性、相軌迹法分析法和滑膜变结构原理，提出一种新的多模式混沌动态滑膜变结构算法。为了消除系统中存在的抖振现象，特设计一个滑模面为时变的动态PID滑模面，推导出混沌动态滑模变结构的BLDCM控制器，采用趋近律方法，对BLDCM的非线性混沌运动进行消除或抑制，最后在Matlab中建立Simulink模型。理论分析与数值仿真结果表明，混沌动态滑膜变结构算法具有可行性，能有效降低电机噪声并抑制电机的混沌运动，且控制器具有较好的动态品质。

关键词关键词：无刷直流电机；混沌动态滑膜变结构算法；趋近律；混沌运动

DOIDOI：10.11907/rjdk.171614

中图分类号：TP312

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）011003605

0引言

无刷直流电机（BLDCM，brushless DC motor）具有能耗低、功率因数高、维修方便等一系列优点[12]，广泛应用于工业自动化系统、通讯设备等领域[34]。目前，电机领域主要研究BLDCM的控制算法[5]。BLDCM在实际工作时，经常出现一些不规则的运动，这样的不规则运行行为主要表现为系统不规则的电磁噪声、转矩与转速的低频振荡、控制性能不稳定。混沌现象所表现出的特征与这些不规则行为所体现的某些特征十分类似，例如在某些特定的工作参数下，电机对参数初始条件的调整有着极大的依赖性、不能够提前预判出电机长时间工作的轨道曲线，以及在短时间内无法找到一条稳定周期轨道。无刷直流电机的多模式控制要求电机控制根据加速踏板、制动踏板和挡位等信号选择合适的控制算法[6]，并输出命令给BLDCM控制器[7]。电机控制模式的复杂性使手动编程很容易出错[8]。Lorenz[910]是最早研究混沌现象和混沌理论的，当电机运行时，体现混沌行为的方面主要包括混沌行为对初值的敏感性和长时间运行工作的不可确定性。因此，在对电机混沌行为的控制算法中，主要目的是消除或者抑制电机系统中产生的非线性混沌运动，使电机能够稳定工作。本文以BLDCM混沌数学模型为研究对象，为了克服BLDCM在运行时产生的混沌行为，提出了一种可以将BLDCM混沌系统控制到任意目标的混沌动态滑模变结构控制算法。采用基于MPC5633 M的全自动代码生成技术，通过将底层代码封装成MATLAB/Simulink中的模块库，算法采用Simulink中的模块搭建或采用Sfunction编写，一键生成代码并下载到MPC5633 M中运行。理论研究和数值仿真实验证明此控制方法有效，能够提高动态控制品质，进而提高系统鲁棒性。

2.2数值仿真分析

首先设定控制目标位置点为BLDCM混沌系统中的一个平衡点（x1d，x2d，x3d）=（4.416，19.5，4.416），设定状态变量初始值是（0.1，0.1，0.1），动态滑模控制系统中各参数值是k1=k2=k3=1，c11=c12=c21=c22=c31=c32=5。为了便于观察和分析实验结果，在BLDCM混沌系统运行10s之后加入动态滑模变结构控制器。根据混沌系统算法搭建的BLDCM系统加入动态滑模变结构控制器的Simulink仿真模型如图8所示。

图8混沌算法动态滑模变结构控制器仿真模型

3实验结果与分析

通过将底层代码封装成MATLAB/Simulink中的模块库，算法采用Simulink中的模块搭建或采用Sfunction编写，一键生成代码并下载到MPC5633M中运行，图9一图12为仿真结果。

对于BLDCM混沌系统，由图9可知，在第10s时加入混沌算法动态滑模变结构控制器，此后BLDCM经过短时间波动，达到控制目标。由图10一图12可知，在第10s

图9d轴电流与转速相轨迹

图10d轴电流时间序列

图11q轴电流时间序列

图12转速时间序列

时加入混沌算法动态滑模变结构控制器，该段图像几乎成一条直线，即：第10s后BLDCM很快进入稳定状态，并且系统中的抖动极小。通过理论分析和搭建模型后的仿真结果可知，采用等速趋近律的方法设计的混沌算法动态滑模变结构控制器，不仅能有效抑制BLDCM的混沌运动，还极好地抑制和消除了系统存在的抖振现象，且控制器具有较好的鲁棒性和动态品质。

4结语

针对BLDCM在运行过程中产生的非线性混沌运动，采用等速趋近律方法，推导出动态滑模变结构的BLDCM混沌算法，并且设计一个滑模面为时变的动态PID滑模面，以减少滑膜运动中的高频抖振，从而对BLDCM的非线性混沌问题进行消除或抑制。通过对仿真实验的分析，验证了控制器的可行性，有效降低了BLDCM的非线性混沌运动，为混沌算法研究提供了理论指导。

参考文献参考文献：

[1]夏鲲，朱琳玲，曾彦能，等.基于准Z源网络的永磁无刷直流电机换相转矩脉动抑制方法[J].中国电机工程学报，2015，35（4）：971978.

[2]王新，候风艳.基于改进的PSOBP神经网络的无刷直流电机控制[J].电子测量技术，2017，40（2）：1014.

[3]郭丹蕊，林晓焕，单星，等.基于DSP的无刷直流电机控制系统研究[J].国外电子测量技术，2016，35（2）：98101.

[4]胡伟，耿亚柯.改进滑模观测器的BLDCM无模型自适应控制[J].电子测量与仪器学报，2016，30（3）：456464.

[5]刘玉欣，余雷，刘珊，等.基于小波变换和二维随机共振的图像去噪算[J].软件导刊，2017，16（3）：3436.

[6]邹炜，等.基于矢量控制的永磁同步电机控制算法设计[J].信息通信，2016，12（4）：115116.

[7]王新，候风艳.基于改进的PSOBP神经网络的无刷直流电机控制[J].电子测量技术，2017，40（2）：1014.

[8]卢东斌，李建秋，何涛，等.四轮电机驱动电动汽车无刷电机控制算法的研究[J].汽车工程，2012，34（10）：871893.

[9]LORENZ E.Deterministic nonperiodic flow[J]. Journal of the atmospheric Sciences，1963，20（2）：130141.

[10]LIU J，XIF Q W.Research on the fuzzy PID speed control system of permanent magnet linear synchronous motor based on genetic algorithm[J].Applied Mechanics and Materials，2014（494）：15821586.

责任编辑（责任编辑：孙娟）endprint