参数自适应控制在直流无刷电机驱动器中的应用

收稿日期:20011220
驱动控制
参数自适应控制在直流无刷电机驱动器中的应用
江晓光1,曲家骐2
(1.上海交通大学,上海200030;2.信息产业部电子第21研究所,上海200233)
Application of P arameter Self -adjust Control in B rushless DC Motor Driver
JIANG Xiao -guang 1
,QU Jia -qi
2
(1.Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China ;
2.E lec.N o.21Research Institute under the Ministry of In formation Industry ,Shanghai 200233,China )
摘　要:简要探讨基于数字信号处理芯片的参数自适应控制在直流无刷电机驱动控制器中的应用。

关键词:直流无刷电动机;数字信号处理器;参数自适应控制
中图分类号:TM33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2002)02-0031-02
Abstract :This paper introduces the application of parameter self -adjust control in designing of brushless DC m otor driver based on DSP.
K eyw ords :brushless DC m otor ;DSP ;parameter self -adjust control
1引　言
直流无刷电动机是随着电力电子技术和高性能永磁材料而迅速发展并得到广泛应用的新机种。

众所周知,直流无刷电动机具有交流电动机结构简单,运行可靠,维护方便,寿命长的特点,又具有普通直流电动机良好的机械特性和调速性。

目前,在许多要求高的电力驱动系统中得到越来越广泛的应用。

但是,传统设计直流无刷电机驱动控制器时,驱动控制器的校正环节常是固定单一参数,出现在一种工况下较好满足性能要求,在工况变化后,就不能满足要求。

为此,设计出能满足复杂工况和要求较高的直流无刷电机驱动器,尽量发挥直流电机的优良性能,是很值得研究的课题。

2参数自适应控制的应用
参数自适应控制是通过辨识被控对象或系统的特征参数、系统的实时状态,提供信息来较正系统,从而使系统实现自适应控制方式。

在直流无刷电机系统中,基本设想是应用数字信号处理芯片DSP 优良性能,随着无刷电机负载、转速等系统状态变化,选择控制规则和控制参数,根据变化后的控制规则和控制参数,产生较优控制信号的一种方案。

其基本构成原理框图如1所示。

在结构框图中,大方框构成为DSP 实现,
其中位置控
图1　采用自适应控制的结构框图
制、速度控制和电流控制器是实现参数自适应控制的关键。

在设计无刷电机自适应控制器时,可将电流控制环节设计成固定参数的I 型系统,这样可简化设计的工作量,对性能影响也不会太大。

在此基础上,将速度校正环和位置校正环设计成参数自适应控制器。

此自适应控制如图2所示。

图2　自适应控制器结构图
器的原理结构图专家知识库是参数自适应控制的基础,在知识库中,包括对被控对象的先验知识,系统要求的性能指标,控制参数的可调范围及校正规则,经验公式及数据。

建立专家知识库是一项繁重的任务,不仅需要系统全面的控制理论和无刷直流电机拖动知识,而且需要做大量实验,积累一定工程实践经验,整理分析实验结论,从而得出较为全面的专家知识集。

运算推理环节的任务是根据专家知识库和信息处理后的信息,决定选择控制规则。

控制规则库是将先验知识、指令、反馈信息、性能指标等制定的控制规律的集合,是基于专家知识库,推理运算环节的后续环节。

在知识库的基础上,根据指令给定,输出反馈,性能要求,系统内部状态等信息,在允许参数范围内,选择最优或较优的控制规则。

因此本文所述的参数自适应直流无刷电机控制,在一定程度上也可称为参数智能控制。

在最终的控制规则上,参数自适应的PID 调节规则,也可以采用非线性控制规则。

1
3参数自适应控制在直流无刷电机驱动器中的应用
3应用实例
下面举例说明参数自适应数字化PID 在直流无刷电机中的应用。

为实现数字PID 控制,要对连续PID 算法离散化。

传统连续PID 控制方程:
M (t )=K p e (t )+K i ∫
t
e (t )d t +K d
d e (t )d t
式中:M (t )—控制器输出信号;
e (t )—控制器输入信号;K p —控制器比例增益;K i —控制器积分增益;K d —控制器微分增益。

为实现数字PID 技术的DSP 控制,需对上述PID 算法进行离散化处理。

位置式PID 控制算法的控制精度较高,但考虑到位置式PID 控制算法每一次输出都是全量输出,一旦出现故障可能会导致M (k )有较大幅度的输出变化,可能对驱动系统造成损害。

为此,采用下述增量式数字PID 控制算法。

ΔM (k )=M (k )-M (k -1)=
K p [e (k )-e (k -1)]+K i e (k )+K d [e (k )-2e (k -1)+e (k -2)]
令:
ΔM p (k )=K p [e (k )-e (k -1)]
ΔM i (k )=K i e (k )
ΔM d (k )=K d [e (k )-2e (k -1)+e (k -2)]
得:
ΔM (k )=ΔM p (k )+ΔM i (k )+ΔM d (k )
参数自适应数字PID 控制器的过程如图3所示。

参数自适应数字PID 控制器增益K p 、K d 、K i 和采样
周期T 的合理选择决定其控制品质,专家知识库根据反馈回的电枢绕组的电流值、电机转速,根据知识库内已有的信息,自动进行选择调整。

对于象直流无刷电动机这
图3　PI D 算法流程图
样的复杂系统,运行工况易于变化且环境恶劣时,也可以采用参数自寻优在线整定方法确定。

4结束语
本文介绍了参数自适应控制在直流无刷电机驱动器中的应用。

数字信号处理芯片的出现,使该构想的实现成为可能。

运用参数自适应控制,能设计出满足复杂多变工况和高性能直流无刷电机系统,充分发挥无刷电机的优良性能。

参考文献:
[1]　陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,
1996.
[2]　徐南荣,程明熙.自适应控制[M].北京:国防工业出版社,1980.[3]　王季秩,曲家骐.执行电动机[M].北京:机械工业出版社,1997.
(上接第26页)获单元获得,采用边沿检测控制,只要任何
一路位置信号发生变化即产生中断;发动机油门采用步进电动机驱动,控制信号由定时器比较/PW M 输出;A/D 采样输入信号包括加速手柄位置、刹车信号、直流无刷电机总线电流、蓄电池端电压、电机温度、驱动板温度、发动机排气温度等。

速度检测通过测量电机的转速获得,即测量转子位置传感器发出的信号之间的间隔得到。

电机控制根据混合ECU 给出的电机转矩以及总线电流实现
PID 控制。

如图5所示。

图5　并联型混合动力摩托车控制原理图
DSP 除了完成对直流无刷永磁电机、发动机、蓄电池
等的控制外,还应根据驾驶者给定的加速手柄位置信号和机车速度、转矩进行混合控制,按照能量管理控制最优策略确定系统运行模式,给出各部分应分担的能量输出或输入,实现优化控制。

对于系统运行模式的切换应平滑,减少冲击。

DSP 50ns 的指令周期能够满足系统的要求,对于转子位置信号和A/D 采样采用中断方式,加快响应速度。

一般用户界面和安全检查每10ms 运行一次,闭环控制每3ms 运行一次。

参考文献:
[1]　Floyd A.W yczalek.Hybrid E lectric Vehicles in Europe and Japan[C].
IECEC ,1996:1919-1924.
[2]　T im othy C M oore.HE V C ontrol S trategy :Im plications of Per form ance Crite 2
ria ,S ystem C on figuration and Design ,and C om ponent S election [C].Pro 2ceedings of the Am erican control C on ference ,1997:679-683.
[3]　邵定国.混合动力电动摩托车的控制策略和能量管理[C].上海:
2000第五届中国小电机技术会议,2000:75-80.
2
3 微特电机　2002年第2期。