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1、基于滑模控制的无刷直流电动机直接转矩控制作者：孙会琴，韩佳炜，崔晨，淮朝磊来源：河北工业科技2020年第Ol期摘要：为了降低无刷直流电动机的转矩冰动增强运行稳定性和控制精准度.提出了一种基于滑模控制的无刷宜温电动机直接转矩控制方法,基于无科直流电动机的教学慎型采用超扭曲算法(SUPeiWiSIing)的滑煤控制器代替原有的转矩、粒链滞环比较器分析了滑模控制器的稳定性.设计了磁链、转矩观测模型；利用空间矢量调制技术代替原有的开关表.实现了对控制系统开关频率的优化；仿出分析了改进前后两种方法的电动机输出特性.结果表明：采用滑模变结构控制提高了控制精准度有效地抑制了无利直流电动机的转矩豚动滑慢控制器
2、的稳定性良好,开关频率恒定.逆变器的逋断可控性殍到改善.改进后的控制方法可以提高无利克流电动机的系统性能使电动机运行具有更好的鲁棒性和稳定性Q关键词：也机学：无刷直流电动机；直接转短控制：滑慢控制：转矩脉动中图分类号：TM33文献标识码：Adoi：10.7535hlgykj.2020yx01008Directlorquecontrolmethodofbrushless1)(motorbasedonslidingmodecontrolSUNHuiqiiuHNJiHWeiCUlChenHUIChaolei(SchoolofEIcnEngn:tyofScnnihnolgy.ShijiHzhuang.
3、Hlt05001X.(,htDM)Abstract:InorhrtodthtorjlhlMmotor,.uinl1n1hrnnnnstabilityaulx)ntnlh,uracy.mlirrbru5hlIXmotorIkamiI：、:MmXrnxljMl.MdthrnahalkmIIImsIbrushhssIX.motorisQMHblkhcdThrSriginaltorqufCUmPmnlatlbyMpr-twistingslidingIlMKkconIrollers.ThstH)lilyoftheslwlingnntlh1、ana!l.anlthfluxlnkagnhlaclrsgt)(
4、d.1hmcn-tooptimiz*thwitchingf%ucncyofhccontrolsystotn.ThemotoroutputrharachnHt4ofthetwof*trwkIwfon-arxlaftrlh()VfwntKnanaIy八dbysinmlntion.)analysissultsshowthat：slidingrnlt,variableStnictnrr,nllarhrnpvxlco:Itrolacnracy.Ihlmth(xlcan(*ff(xtiv(%lysuppressthetorqripplrofth*bhssXrntor.Sl(bngmJconthhagxxi
5、th*swtchngfnxpM-ncy”onstHtthon/offCUntrollabilityofthrinvttisgtsystemalnhty.Motorrratonhasbetterrobustn(ssanlstability.Keywords：(l(tro),shls【X、motor；47.SUNHuiqin.HNJiawriCL1Chrnral.DirectRoEUUcontroltrthdofbrush!一、LX.trbcd0Tidingmodevrl.lj.HebeiJournalofIndustrialScirntrandTechnology202l37(1)：4f47.无
6、刷直流电动机（BLIXM）具右可与性痛、可挖性强、效率高等优野广泛用于伺斐系统,航空、弱动汽车、医疗设备和智能家电等短域L无制直瘫电动机运转时找班脉动较大.降诋电力传动系饶的控制特性和驱动系统的可靠性并带来振动、噪音、谐振等问题卬.文献口详细论述r转矩脉动产生的各种原因.如电流换向j稽效应等.匕直接转矩控制技术DTCJif算电机的磁性、转矩和给建值的差值,利用电位矢t来达到前驻和转加直接控制的目的，具右动态性能好,运算速度快、有效降低找亚脓动等优点文纸】口提出无窿法观谶罪的直接转而控制方法.以减小异班脓动.系统简单但.疏贷大小和电动机转速fl-定关系，导致实际拧制结果与理论分析存在俣革.文帧6
7、二采用r基于零电压矢M.的DTC爽相技术，减小转矩林动,文他7:提出模幅自适应直接转矩控制技术右效抻制转矩脉动,加快响应速度，但是低速运彳I时转矩林动依旧明显.文蛾二8二将基于不次趋近律滑膜现网赛应用到无引直流电动机控制系统中,实现rj电动机反电动外的双浏，达到无（V置传随器的H的.文献9通过滑段逵度控制器和滑校观泄器来构造传洸无刷克流电动机控制系统中的速度环控制.这柠改进相较于传诜Pl控制h所改进但.并未右效解决找班脓动及开关板车不稔定的问超.文献口0:根出r冲直接转地控制系统的济模疏徒和找速现M器的设计方法,该观测器可极供精准的磁挂和转矩估计值，对电动机参数变化和负载扰动有较强的鲁棒性.但
8、仍未解决电流，转好的脓动向笆,为r改善传统DTC捽制方法存在的诃题.提出r-种基于消梗按刈的转近、的链控冽器，改进r传统的OTC控制方法.使猫出转班粒定.并维持送变器开关林率的恒定，通过Simulink仿真验证挣制方法的有效性和优越性.I无刷直流电动机的数学模型传的无刷直流电动机平动电路如图1所示,T1-T,.为功率导通器件D1一件为续流二锻管.控制系统里动机为单出性每个茶尔传然器依次相差120,定子相晓组采用星形连接.为便于研究,忽珞涡流投耗与疏滞损诧口不考虑电抠反应，BLDCM的数学模型如式（1）所小.图1无刷口谑电机的郭动电珞FiE.1Drivecircuitfbru5hks5X?mot
9、or式中：-，,为T相定/电长；H.,f：Xhraudc%rab!estructurertrjS,7sn=J.八=儿 Sgn（S.）di.1 1说一 F，2二为实现无刷红流电动机直接转班控粉其法的比化,针JBLDCMSii基于越里曲柳Kr-swifting)算法的磁吴、转更滑模控制器，设itrs经、转矩观阳段卡以及破毁给定方法并设讣空间矢肚网制环节.进而实现直接找矩控制、滑模拧制利交间矢Nt调制技术的结合可以R异正可三注三，：甘华而有效的控制.2.J滑模变结构转矩、进性控制器设计设计滑模控制器先确定切换函数一然后!据济校可达性、引罅枣朽性的4要用适当的已近律设计出理想的滑校控制器i终得到t利率
10、印金落构拓出UL本文所法计的清模控制茸法珞电司机的转矩和定上建法场值包含其中殍到段良至DIC控制算法结构简单稳定.根据基于SUPcr7Wisticg算法的二阶君璧排制基本除理LR,可列出该算法的般形式：Jj.-Jy入Ix.snx)一？十，,ox?H-QSgn(4)-p?式中：M7z为状态变量：入。为正的畜数:pG为扰动.设ii转矩和滋健捽制器时利模切接W数定义为式(8：大中，为定干色健的幅值给定：丁；HS定：W:为实际反设的定广班进门:为实味反货的转矩.转矩和破链控制器设计为式(9式%;=K,s.rg+-9Ksgndr-：9)k；=KISTrgn(S一十Kjsgn(S7Jdz8必式中：K.K,
11、KK,为控制器溶互(本系统的K.一心.取道，*/,一/取值】).2取值12,均为正的宗数.22按猊镂和定性分析将切妄陷皎灯时间求导可得，-二一AS.谢)+1/儿sgnS,drRij(10)2二-HSrnS7)n(S)d-R;J令.一靛5一M八为订明系统的稳定性选我至甘苦诺文函数为1=4：+p：%.11)其中：Srlsg(SJ匕fg(S)也4八一心如由于运1S.dtAS9sgnS,j-kdrRu|4sgn.r/fgSr，一tgn(S7)df-RW(12)(13)t5gn对式(1求导可得选取心”,60住 Rj 5 S# JQ-Y224*T：:三* jo：工一言T 1(16)(19)(20kK%S,
12、成立可以珞式，化登Rl-S.It%J-Sr飞，基其中茨一氏；1+Q:dy-LBl1A-51若选取捽制器参数：4256：“K-A2机)七,2心，k”My喝为。成立.即当满足式浮)时式(“，:能实线有模运益.系比状态达刮滑模向后S,一丸一sr-ST-，,则订明r系统的稔定性.2.3 送Si与转矩跟测模型设计2.3.1 班健说测校书定f出注的实时现测通常用枳分方法太不.定f英进的R坐标分bRJ.df.(17)65二；(.KJ.)&()8)式中9.W二是定于辕呆在3L的分hh二%S定于电直在的分IihL”是定于电文在N上约分垃定f电除和定干电流分别Fll=相电乐检湾装置、=相电流检测装置潴得.定出品的
13、充值与知度：二八二一以夕,一arctan-z-.od2.5 空间矢谓制技术控制器设计系统中空间矢M网制技术(SVM)控制器首先将定子电乐矢fit“；和”;转换到静止坐标系(。，9)上,然后采用空间矢见脓宽网制方式产生逆变器开关信号“：1cosG.-sin.=0A.)JLSInUcosUJ如图1所示基本电乐矢St将均区划分成6个区域.在任意PWM冏期T.内,任意的定f电乐矢出都可以由楣邻2个基本电乐矢出合成对.假如定于电压矢M在区间N内喝相邻的基本电抵矢他为如果X-6Vv.l=)作用时间为图4定于电压空间关步调制Fig.iStatOrvul:agcVCtvectormiuiU:1为减小开关器件的
14、开关次数.零矢fitV的作用时间一般为.TlTlT-L=J=(2/)在一个pvM周期r-和定广电乐矢Irt相邻的2个基本电保矢Hm和零矢Hv的作Hf顺序为Vv-vs.-vr-vll-v-V,作用时间为7,2fr%2Ts2-T7T7.：_72-*72.SVM发生器发出的开关信号使褥逆变器匚作更加稳定、便于控制,并且逆变器输出的定f电压的福值和方向也是由前面的转矩相暗性的滑模保俄抖制器得出的因此,与传院的直接中矩控制相比，此方法更加保证系统的控制精满性.3基于滑模变结构控制的DTC仿真3.1 滑模DTC控制系统仿真模型为r验沌基于济校控制的宜接转亚控制技术的效果，利用Simulink仿真环境,搭建
15、出该仿真模型如图5所不.电动机模型的参数不】：对数卜.一4，定电感二二8.5EH定f电阻R1.2,磁链内二仇Wb,4Jjffifet./-0.)08kg.仿真条件设血为参考疏族值议定为vl,-。3Wb参考找速值设定为N1,.-500rmin初始时刻设置负载状矩，-OQ050i5020 O2S 0.30 Q5 040S25205)0Q50saa a a a a a a-LW 3 65432 012-U -mmb)叼C/DTC4电或Z化企规田5基于清飞控制的文柒圣圣多越分点程空Fig.jSfcsuIsliunrcdclu：uuri-cy,5cbxr-cdaslidingmudt：vntr!0.i0
16、20304时利C也汶DTc吆史茨影6传运PrC*；立茏电讣钗住事注影Fg.6TiHjzJDTCBLDCA!iz3uh.curvc由图6aj可知.传统直接转至笈到技术f1较好的动态性转,有很快的*动速度.在，二、内可以达到电动机法定运行并且结构登华利于实现值设系统还是存在一定的状亚脉为：图二b所，公祭逝秋动为1Xru而FI系统运行并已至*任定JZu所小破枪网初蛤R变为削影堪有波七：用、3坪不系统电流林动很大.因此.提出安于笊或笈制的直接状矩控制方法来右软柠制电KI的Ir京运行从图7a可以看出.电动机达到M：rmin的过程中仅用r一基于滑模及制的直接代军技卡比传熟DTC将较快的晌应速度，在T=”.
17、2f时%妞的负数转正,电专机用广”二、愎互利给定参专转过先目找速的整体平W情况也要优于传统DTC.相比较于传统打C采用基于滑模控制的DTC符制茸法的电诙，发电流动IS童也明显降诋,生于书模齐:MBm找更波动福值为。.15Nm，而传统DTC为!m图：d：和图7C所小洲形儆进明2比传速DTC史I平滑均变减少.三相电流脓书明显年诋忘WJ电潦珞大.:星I节板粕抬的。父馥串花:M戋选仿真袋彩-ENV*wo;65 4 3 2 I I r : Hw=025；020-0.15 I0.1 G0X5Ojo50.1020.3ci工丁疥镀忤M的“法笠汕整IAW力技影ii5Q20025CUO035040封“b)最I界金
18、校会的八父船加性剂箕泰浸影.Wb上Rf耳桥作配的。MHH/*e：足，将标笈足的。援典矩卷也:用电金工化自皖7基于清隈控题的Jt接”技叁制按笈无利女流电动乱仿真波电Fg.7BniihkssDCmotorsmjlstcWWjrEIlsccvdrr*:lcrccntrlIZhrKkgybasedOnsliding:nOUccOn：rul4结论竹对无刷直流电力机的直接转电疳陋技术的薪珞投出基T满校捽制的直接转更抖切技术系统仍采用转矩和诙链作为装扮Xt.Hf-jpcr-:WMing算法的潜模变结构捽制器实现对控制系统稳定性和Rl制精潜度的提升利用空间矢M限初技术实理封控制系统年关E车的优化,遒过Sm-U
19、Iink仿耳对比证明基亍书度芳身的DTC苴法不仅可以推持传统DTC的快速响应等优点还爱够右效圾冽转矩味而并呼制BLDCZ史定春U本控制方法在应用时,启动电沆略大有一定的电沅脓功仍右较大的改进空间今后可用此方法月迅寻机和不同环境卜的佳职情况进行探人至4和行究参考文献/References:：ijLIZhi.；n.XIAOUMI5Ec=:二：-：h-lZjCmotwbacdan.CMACxadID;oaucikrCWok-phiy-J.EE2ETrxacxicnon*scxk.2O11.47PL.2010.S8J2)13-2e.QIANQ.,njWANGShJhot.C：HHiXn工dea&；;-
20、nuacRtmuc&ecbrjKeDCmotarbxedOfta.2010.3:2：l-20.二：*，西.R小威H/电或吒转适烛引及其为制方陕芳WJlr.2010.43.CHEiGXiioL.Aaly-cmtoucrip(cZnd.etMouDaetoc：l:u、b!0$DCRntorJ.Micrarrtoxars.310.Qa囚&.：5：季r=季塞窈三帝.等.，誉辑友农儿明五茨老R按斜籽究J.tTUn,29U.ihLlZhiJ;.IBi.XIEWein.e二%UdyabruhjcDCEXrtoc.*.xbouiflux-lxkcfccdbxcic工.IkbciJoUEd&Itdozri-Sc
21、iencecTerAE3gy.2014.31:4:2$6-5*Jl.?：*W.蛉建飞N4.等荃于年人gBuXyDTI奥用转走0不彳乜力浜：；.南京眸花大字字玄：T整我术收2017.1；tCs2-3i.GUoYggYANGjiqfeiQIUXin,1.UdyMcommu-UXiOQccjeriwjed*igo:SDCMDTCtuedonICroPyC，：二.；OUrTu：ofNiRinKNornJUnieiMt:cexigTechnokucy3:Hc山，qgVefusydirer:GNUCccarolov;CexxricilXVCndAIaonU：CaCg.troi.201j.35：7-$.;二
22、G4碘节少jF?含M-苍.芟于A次治近律靖愧祝遂发的人幕直汽之仁丸也宣传SA长舸亭.废品支：JlG电机*23S522-S2.ZHOUBeSbft.SUXusgXUHudea.etTRmsChansacekcca=&$y：0Ofbxu*hlcDCmatoxhxcHaa；：*civcjJ.MicroBiowts.2019.522732.L9SH()YuJibiii-YA、GRongrongGL)Jinwm,etal.Shdtngmodepeedcontrolforbru5liiesDCrn(rlj.-,lz7279700.210光兴华,刘伟.施于有效荏塾滑模观测器的IPMM直接找走控制口1电气传动
23、2617l7(7)：71l.ZHNGXntghuarHlWei.LhrevitorquevtlrlofinteriorprrarnlagnetiyjcrnscnororbasedonYidi门片TUOdUactivexobserver?.J.ElettncDve2I；7(7J：7I.111 ZHOLYaiigzhojigZHANGLnglingCHEXXurkssdirecttorquecontrolfor*a!rncyPrrnianrnimagnetbrshlcLX.motor*LJ-.IEEEranacuor:-onEnergyConvrrMn.2015,31(2:19.：12KUMARA
24、VELUUD.YAKLBSM.muhionofoierrotorperutneulmagnetbru5hksL)CInolOrUMgfinitcrrletnentnedxlforIOrqueiruprvee.JJ.ModrJingandSternofBrKhlu、IC1iorDShangliat;1ogjiLnivrruy,2,.：n：张庆用.尢硝直流电机找逵伺版系统高防滑率柠制研究二瓦.西安，西北工业大学2D17.ZHANGQingchao.HighorderSUdnig!(xkCoiHroIForbru5ks*LK-MotorSperdServoSyMernfcD.Xi*an：Northw
25、rleEolylecliriicalUnverVw17.5_XlACiULTigl；ingZHOJwxin*YANYNh,cal.AnoveldirecttorqueandflxcnlrlEEhGdoflrixconverter-fedPMSMdrivenJJ.IEEEransac：5417-5430.：I6J刘金贵.滑模变雄构控制MATLAB仿RM北京：清华大学出取衿.2然5ZlJLAStlC-BOLDEALBLA.XBIEKG卜.SUPSIWmgslidingdrv!irloftorqueancfluxinPfEIdJlElmSL)RIVERAJCASTILLOTOLEDOKSuperiv
26、!5ngdrjsrks5controlofPVnlJanfhtuunetAynChronou、jturC.Proceedingofthv49IhIEEEConferenceOtiDeciWKmJControl.AtJanta：1EEEw2010:4018-4023.：19J的育文高珏构建R永武同步电动机互接找矩控制系统:Vi北京：机械丁业出版社2。15,：30J税收.巩大跃.赵存宇.一种基于占空比控制技术的异步心机直接转矩控制方案二匚中国电机丁程学报，2.二11L93WElX：n.CHENDayurZHA(Chunyu.Anewdircuttorquecontrol5rargyofduvinu
27、trsLdSrdOitdutyratiocontrol!chniqur2J2.HrCceedjgoftheCSEE,23O525(11)9397.：21：其突段国施.唐伟.基于SVPWM的感应电机矢量ESlM1.V：LAB或台仿JCL.二J自引化.二二1,36(1九TK:CHENhuagDl.NGuOya”，IAWri.CbSmiULlionmethodofPSIMMATLABforinductionmachinevectorcnIrol*y5ternbawlonSVPWM_J1.ManufacturingAutomation201436(lh9597.摘要：为了降低无刷直流电动机的转矩脉动，
28、增强运行稳定性和控制精准度，提出了一种基于滑模控制的无刷直流电动机直接转矩控制方法。基于无刷直流电动机的数学模型，采用超扭曲算法(supertwisting)的滑模控制器代替原有的转矩、磁链滞环比较器，分析了滑模控制器的稳定性，设计了磁链、转矩观测模型;利用空间矢量调制技术代替原有的开关表，实现了对控制系统开关频率的优化;仿真分析了改进前后两种方法的电动机输出特性。结果表明：采用滑模变结构控制提高了控制精准度，有效地抑制了无刷直流电动机的转矩脉动，滑模控制器的稳定性良好，开关频率恒定，逆变器的通断可控性得到改善。改进后的控制方法可以提高无刷直流电动机的系统性能，使电动机运行具有更好的鲁棒性和稳
29、定性。关键词：电机学;无刷直流电动机;直接转矩控制;滑模控制;转矩脉动中图分类号：TM33文献标识码：Adoi：1().7535hbgykj.2020yx()1008DirecttorquecontrolmethodofbrushlessDCmotorbasedonslidingmodecontrolSUNHuiqin1HANJiawei,CUIChen,HUAIChaoleiAbstract：InordertoreducethetorquerippleofthebrushlessDCmotor,andenhancetherunningstabilityandcontrolaccuracy,a
30、directtorquecontrolmethodforbrushlessDCmotorbasedonslidingmodecontrolisproposed.MathematicalmodelbasedonbrushlessDCmotorisestablished.Theoriginaltorqueandfluxhysteresiscomparatorsarereplacedbysupertwistingslidingmodecontrollers.Thestabilityoftheslidingmodecontrollerisanalyzed,andthefluxlinkageandtor
31、queobservationmodelaredesigned.Theoriginalswitchtableisreplacedbyaspacevectormodulationtechniquetooptimizetheswitchingfrequencyofthecontrolsystem.Themotoroutputcharacteristicsofthetwomethodsbeforeandaftertheimprovementareanalyzedbysimulation.Theanalysisresultsshowthat：slidingmodevariablestructurecon
32、trolachievesimprovedcontrolaccuracy.TheimprovedcontrolmethodcaneffectivelysuppressthetorquerippleofthebrushlessDCmotor.Slidingmodecontrollerhasgoodstability,theswitchingfrequencyisconstant,theon/offcontrollabilityoftheinverterisgood,andtheimprovedcontrolmethodadvancedthebrushlessDCmotosystemability.
33、Motoroperationhasbetterrobustnessandstability.Keywords：electromechanics;brushlessDCmotor;directtorquecontrol;slidingmodeControhsuppresstorque辗刷直流电动机(BLDCM)具有可靠性高、可控性强、效率高等优势，广泛用于伺服系统、航空、电动汽车、医疗设备和智能家电等领域”2。无刷直流电动机运转时，转矩脉动较大，降低了电力传动系统的控制特性和驱动系统的可靠性，并带来振动、噪音、谐振等问题30文献4详细论述了转矩脉动产生的各种原因，如电流换向、齿槽效应等。以直接转
34、矩控制技术(DTC)计算电机的磁链、转矩和给定值的差值，利用电压矢量来达到磁链和转矩直接控制的目的，具有动态性能好、运算速度快、有效降低转矩脉动等优点。文献5提出了无磁链观测器的直接转矩控制方法，以减小转矩脉动，系统简单，但磁链大小和电动机转速有一定关系，导致实际控制结果与理论分析存在误差。文献6采用了基于零电压矢量的DTC换相技术，减小了转矩脉动。文献7提出模糊自适应直接转矩控制技术，有效抑制了转矩脉动，加快了响应速度，但是低速运行时转矩脉动依旧明显。文献8将基于毒次趋近律滑模观测器应用到了无刷直流电动机控制系统中，实现了对电动机反电动势的观测，达到了无位置传感器的目的文献9通过滑模速度控制
35、器和滑模观测器来构造传统无刷直流电动机控制系统中的速度环控制，这种改进相较于传统PI控制有所改进，但并未有效解决转矩脉动及开关频率不稳定的问题。文献UO提出了一种直接转矩控制系统的滑模磁链和转速观测器的设计方法，该观测器可提供精准的磁链和转矩估计值，对电动机参数变化和负载扰动有较强的鲁棒性，但仍未解决电流，转矩的脉动问题。为了改善传统DTC控制方法存在的问题，提出了一种基于滑模控制的转矩、磁链控制器，改进了传统的DTC控制方法，使输出转矩稳定，并维持逆变器开关频率的恒定，通过SimUlink仿真验证了控制方法的有效性和优越性1无刷直流电动机的数学模型传统的无刷直流电动机驱动电路如图1所示，T1T6为功率导通器件，DID6为续流二极管。控制系统电动机为单极性，每个霍尔传感器依次相差120%定子三相绕组采用星形连接。为了便于研究，忽略涡流损耗与磁滞损耗且不考虑电枢反应，BLDCM的数学模型如式(1)所示。uaubuc=RaOOORbOOORciaibic+PLaLabLaCLbaLbLbCLCaLCbLCiaibiC+eaebec,(1)式中：ua,ub,ucJ三相定子电压;Ra,Rb,RC为三相绕组电阻;ia,ib,ic为三相定子电流;P为微分算子，p=d/dt;La,Lb,LC为三相绕组自感，Lab,Lac,Lbc1Lcb1Lca1Lba为三相绕
