基于改进指数趋近律的BLDCM滑模变结构控制的研究

摘要

无刷直流电机(Brushless DC motor,BLDCM)因性能优良而被广泛应用。但是BLDCM是一种非线性系统,内部电磁环境复杂,并且内部参数随着电机的运行会发生改变,因此传统的PI控制方法已经无法满足BLDCM日益精确的控制需求。而滑模变结构控制方法适用于非线性系统,其性能稳定,能够抵抗系统自身以及外部所产生的一些干扰,可以满足BLDCM的控制需求。为了进一步提高滑模变结构控制的性能,本文在对滑模变结构控制理论以及非奇异快速终端滑模分析的基础上,从改进指数趋近律的角度对BLDCM的滑模变结构控制进行研究。具体的研究内容如下:首先,本文系统的归纳了课题的研究背景及意义,分析了BLDCM的控制方法、滑模变结构控制以及改进指数趋近律的滑模变结构控制的国内外研究现状。又阐述了BLDCM的基本结构、数学模型以及工作原理,重点分析了其六步换相的控制原理。并且搭建了基于PI控制的BLDCM六步换相控制系统的基本仿真模型。其次,针对PI控制的不足,在介绍了滑模变结构控制的基础上,研究了指数趋近律的非奇异快速终端滑模(Non-singular fast terminal sliding mode,NFTSM)速度控制器,对PI控制存在的问题进行改善。为了进一步缩短电机到达稳态所用的时间,从趋近律的角度出发,对指数趋近律进行一定的改进,研究了一种变速指数趋近律NFTSM速度环控制器。并且利用李雅普诺夫函数对所研究的控制器的稳定性进行了证明。通过仿真对比,在不影响控制器稳态精度的前提下,变速指数趋近律NFTSM速度环控制器达到了预期目的。然后,为了实现BLDCM的无位置传感器控制,且得到具有较高精度的电机线反电动势,分析了BLDCM线反电动势过零法的无位置传感器控制原理,探讨了传统滑模观测器产生抖振现象的具体原因。在此基础上,对指数趋近律进行改进,并结合NFTSM,研究了一种改进指数趋近律的非奇异快速终端滑模观测器(Non-singular fast terminal sliding mode observer,NFTSMO)。并用李雅普诺夫函数验证了所研究的滑模观测器的稳定性。通过仿真验证了改进指数趋近律NFTSMO能够很好地解决传统滑模观测器抖振现象严重的问题,并大大提高了电机线反电动势的精度。最后,完成了一套以“GD32F303芯片”为核心的基于蓝牙无线控制的BLDCM系统硬件控制平台。依据这一平台,利用所研究的变速指数趋近律NFTSM对电机的速度控制进行了实验验证,证明了所研究的滑模控制器的有效性。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 BLDCM基本控制方法的发展及现状

1.2.2 BLDCM的无位置传感器控制的研究现状

1.2.3 滑模变结构控制的研究现状

1.2.4 改进指数趋近律的滑模变结构控制的研究现状

1.3 论文的主要内容与章节安排

第二章 BLDCM的基本介绍及其六步换相控制模型

2.1 BLDCM的基本结构

2.1.1 电机本体

2.1.2 位置传感器

2.1.3 电子换相电路

2.2 BLDCM的数学模型

2.3 BLDCM的工作原理

2.3.1 BLDCM的驱动系统结构

2.3.2 BLDCM的六步换相控制原理

2.4 基于PI控制的BLDCM六步换相模型仿真分析

2.5 本章小结

第三章 BLDCM变速指数趋近律NFTSM速度环控制

3.1 滑模变结构控制的原理

3.1.1 滑模运动的数学分析

3.1.2 滑模变结构控制

3.1.3 滑模变结构控制的动态品质

3.1.4 滑模变结构控制的滑模面

3.2 非奇异快速终端滑模

3.3 指数趋近律NFTSM速度控制律的研究

3.4 变速指数趋近律NFTSM速度控制律的研究

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

第四章 基于改进指数趋近律NFTSMO的 BLDCM无位置传感器控制

4.1 线反电动势过零法的无位置传感器控制理论

4.1.1 基于线反电动势的BLDCM换相策略

4.1.2 线反电动势以及转子位置的计算

4.2 传统滑摸观测器的研究

4.3 改进指数趋近律非奇异快速终端滑模观测器的研究

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第五章 BLDCM控制系统的实验分析

5.1 系统控制的硬件结构

5.1.1 电源电路

5.1.2 GD32F303主控芯片及其外围接口

5.1.3 CPLD芯片及其外围接口

5.1.4 驱动电路

5.1.5 霍尔信号采集电路

5.1.6 电流采样电路

5.1.7 保护电路

5.1.8 蓝牙通讯

5.1.9 振动、噪声及温度采集电路

5.2 系统控制的软件设计

5.2.1 下位机GD32F303的程序设计

5.2.2 上位机手机APP的程序设计

5.3 变速指数趋近律NFTSM控制算法的实验验证

5.3.1 实验平台的搭建

5.3.2 实验分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作的总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果