基于Matlab的直流无刷电机IP控制的设计与仿真*

王 琳 肖 军 刘洲洲

（1.西安航空学院电子工程学院 西安 710077）（2.西安航空学院计算机学院 西安 710077）

1 引言

无刷直流电机以其结构简单，运行可靠，电磁噪声低等优点，在现代生产设备、仪器仪表和高级家用电器中起到了不可取代的地位。

高精度运动控制系统一般都会使用到电机，电机的鲁棒性对控制系统的影响很大。因此，电机的鲁棒性是衡量运动系统性能的重要指标［1］。

目前，运动控制系统的速度环主要采用PI控制器，虽然该控制器可以获得较好的动态响应能力，但PI调节器参数设定困难，增益系数对电机的参数、转速和负载变化敏感，鲁棒性差。当负载扰动时，速度环输出信号产生较大的超调，甚至使系统趋于不稳［2～4］。此外，滑模变结构控制、自适应控制等是一种针对非线性系统控制策略，具有良好的鲁棒性，得到了广泛的应用［5～6］。

本文在无刷直流电机的速度环内引入IP制器。它的传递函数上少了微分项，因此IP速度控制器可以有效减小速度输出量超调幅度，当系统负载扰动时，速度超调过程明显减小，理论分析及仿真结果表明该系统速度环的抗干扰能力提高了。

2 无刷直流电动机控制

普通的无刷直流电机采用三相电压型逆变器供电，其定子绕组为星型接法，如图1所示，其中A、B、C分别代表定子三相绕组。

图1 三相逆变桥

无刷直流电机的绕组反电动势为梯形波，电流也为方波；逆变器的开关管每60°电角度需换相一次，一个周期内换相六次，即需要六个换相信号。每一区间的电角度为60°，六个区间为一次电气旋转。如图2所示，箭头显示了每一个工作状态中电流流过电机绕组的方向，且在任意一个状态下只有两相绕组工作。

图2 六步换向电流流向

3 无刷直流电机IP速度控制策略

对于无刷直流电机调速系统来说，传统PI调节器的速度环控制系统，如图3所示。电流环作为速度环的内环，其中Gc(s)为控制器传递函数表示为，β(s)为电流环反馈回路传递函数。

图3 传统PI速度控制系统结构图

速度环的传递函数为

速度环闭环传递函数的分子中存在较大的微分项，提高了系统的频带宽度，但却降低了系统的抗干扰能力和稳定性，因此当以阶跃输入为速度参考值时，速度环输出值的速度超调较大。系统的动态性能及稳定性完全由PI调节器参数决定。如果把电机转速输出直接以反馈形式引入到输入端，反馈通道的补偿器与电机构成并联形式，这种控制结构称为IP控制方式。如图4所示。

图4 IP速度控制系统结构图

其闭环传递函数为

相对于PI控制策略的无刷直流电机调速系统，IP控制策略的闭环传递函数具有相同的特征方程，但是闭环传递函数分子中少了1.5KtGc()s Kps项，有效地抑制了速度环输出值的电流冲击和超调量。但在相同的控制参数条件下，IP控制策略系统的频带宽度变窄，系统的动态响应能力变差。为了克服减少微分项带来的频带宽度变窄的问题，可以通过增大积分器增益的措施来提高速度环的动态响应能力，因此需要增加比例Kp的增益。

假设电流环实现完全跟踪，即

4 仿真分析

利用Matlab进行仿真。为了验证文中提出的无刷直流电机调速策略的有效性，仿真所采用的电机参数：额定转速为2000r/min；额定功率为1.5kW；交直轴电感为5.33mH；永磁磁链为0.182Wb；转动惯量为0.0025kg/m2；电枢电阻为0.024Ω。

速度环PI控制参数与IP控制参数相同的条件下，图5（a）为系统的阶跃响应曲线，由IP控制器的速度环没有速度超调过程且鲁棒性更强，但动态响应能力较差。根据系统频率响应曲线图5（b）可知，PI控制器具有更宽的响应带宽。

图5 IP速度调节器与PI速度调节器性能

不同比例增益下的IP速度调节器性能曲线，如图6所示，在单位阶跃输入条件下，PI控制器比例增益增大五倍，速度响应曲线斜率增大，响应速度明显提高，即增大比例增益时速度环系统的动态响应能力增强。根据幅频响应曲线可知增大IP控制器比例增益可以提高系统响应带宽，而稳定裕度变换很小，保留了原系统的鲁棒性。

图6 不同比例增益下的IP速度调节器性能曲线

5 结语

本文从理论和仿真两个方面分析和研究了永磁同步电机，提出了初始位置检测的方法，该方法利用普通编码器U、V、W进行检测，克服了需要额外的硬件或依赖电机参数等缺点，是一种鲁棒性较好的方法。通过Matlab仿真该方法进行验证，结果表明电机转子在检测过程中不发生移动，满足永磁同步电机可靠、平稳起动的要求。