基于變結構的電機力矩平衡控制系統研究

摘要：針對多臺直流無(wú)刷電機(BLDCM)力矩平衡的控制問(wèn)題，指出了傳統PI控制算法存在的不足；建立了BLDCM的數學(xué)模型，并給出其狀態(tài)方程；設計了2臺BLDCM力矩平衡控制的滑模變結構控制模型，選取了滑模面，計算了控制律，并進(jìn)行系統穩定性分析。最后通過(guò)系統仿真，與傳統PI控制比較，得到理想的控制效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機；力矩平衡；滑模變結構

1 引言

由于BLDCM具有運行可靠、維護方便等特點(diǎn)，已廣泛應用于電動(dòng)汽車(chē)、船舶推進(jìn)等許多領(lǐng)域。實(shí)際應用時(shí)往往需要多臺電機同時(shí)工作，并且要求各電機的輸出轉矩平衡。

文獻利用PI控制算法實(shí)現了2臺BLDCM的力矩平衡控制，由于PI控制本質(zhì)上是一種線(xiàn)性控制，而B(niǎo)LDCM是非線(xiàn)性系統，因此其實(shí)驗結果中的2臺電機輸出轉矩有較大的超調，而且無(wú)法實(shí)現完全一致。

滑模變結構控制是一類(lèi)非線(xiàn)性控制，它能在動(dòng)態(tài)過(guò)程中根據系統當前的狀態(tài)變換有目的地不斷變化，迫使系統按預定軌跡運行。研究表明，滑模變結構控制具有響應快速、無(wú)需在線(xiàn)辨識等優(yōu)點(diǎn)，因此很適合直流電機的力矩平衡控制。

這里將滑模變結構控制算法應用到2臺BLDCM力矩平衡控制系統中，減小了電機力矩輸出超調，提高了2臺直流電機的力矩平衡控制精度，達到了很好的控制效果。

2 系統描述

BLDCM的動(dòng)態(tài)平衡方程為：

u=e+iaRa+Ladia／dt (1)

式中：e為電樞反電勢，e=kuω，ku為電動(dòng)勢常數，ω為轉子角速度；La為相繞組電感；Ra為電樞電阻。

力矩平衡方程為：

Tem=TL+Bω+Jdω／dt=kTia (2)

式中：Tem為電磁轉矩；TL為負載轉矩；B為阻尼系數；J為轉動(dòng)慣量；kT為轉矩系數。

由上述等式可得：

圖1為BLDCM動(dòng)態(tài)結構框圖。

3 軟件程序設計

3．1 選擇切換函數

要實(shí)現2臺電機的輸出轉矩平衡，由式(2)可得，輸出轉矩與電樞電流只相差一個(gè)kT，因此實(shí)際可通過(guò)控制2臺電機的電樞電流一致來(lái)達到輸出轉矩平衡的目的。定義電樞電流誤差為：

e=x1-xref=ia-iaref (6)

式中：iaref為被跟蹤電機A的電樞電流，即被控電機B的參考電流。

開(kāi)關(guān)函數s=ce，c>0?？梢?jiàn)，系統穩定時(shí)滿(mǎn)足s=0，即2臺電機輸出轉矩平衡。選取指數趨近律為：

由上式可知，，所選趨近律滿(mǎn)足到達條件。