內(nèi)模PID控制器在無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)無刷直流電機(jī)中傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較弱等問題，在分析內(nèi)模控制與經(jīng)典PID控制的內(nèi)部對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，綜合其優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了一種基于內(nèi)部模型的PID控制器(簡(jiǎn)稱IMC-PID)對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。在建立對(duì)象理論模型的基礎(chǔ)上，通過對(duì)控制器在線仿真比較表明：針對(duì)本設(shè)計(jì)對(duì)象，基于內(nèi)部模型的PID控制器不論在系統(tǒng)階躍響應(yīng)或是擾動(dòng)跟蹤等控制效果上都能到達(dá)經(jīng)典PID控制的要求，同時(shí)還降低了參數(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和隨機(jī)性。
關(guān)鍵詞：PID控制；內(nèi)模控制；IMC-PID控制；雙閉環(huán)直流電機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)

無刷直流電機(jī)是新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用永磁材料勵(lì)磁，無勵(lì)磁損耗，利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、高效節(jié)能、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。故而在工業(yè)動(dòng)力過程及生活領(lǐng)域等都得到了廣泛的應(yīng)用。
經(jīng)典PID控制在電機(jī)速度控制中已經(jīng)得到了比較成熟的應(yīng)用，但是受電動(dòng)機(jī)負(fù)載等非線性因素的影響，傳統(tǒng)的控制策略在實(shí)際應(yīng)用中難以保持設(shè)計(jì)時(shí)的理想性能，且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的外部環(huán)境的要求比較嚴(yán)格，且調(diào)試復(fù)雜不便。內(nèi)模控制(Internal Model Cont rol)是一種基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型控制策略，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)、能消除不可測(cè)干擾等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)中通過采用內(nèi)模控制原理對(duì)不同特性對(duì)象進(jìn)行控制，結(jié)果表明：基于內(nèi)模原理的控制器設(shè)汁原理簡(jiǎn)單，可同時(shí)考慮多種控制指標(biāo)，應(yīng)用范圍廣，參數(shù)整定直觀方便。分析內(nèi)模控制與PID控制存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將PID控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化到內(nèi)模控制框架下進(jìn)行，可以得到明確的解析結(jié)果。這樣不僅在控制要求上能到達(dá)模糊PID控制的要求，同時(shí)又降低了參數(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和隨機(jī)性。
文中通過分析基于內(nèi)模原理的PID控制器的設(shè)計(jì)原理，解析出控制器參數(shù)的內(nèi)部數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)雙閉環(huán)無刷直流電機(jī)凋速系統(tǒng)，采用MATLAB對(duì)設(shè)計(jì)的控制器與經(jīng)典PID控制器進(jìn)行仿真比較。

1 無刷直流電機(jī)模型
文中研究的模型是無中性線Y形連接的三相無刷直流電動(dòng)機(jī)，該模型在多種應(yīng)用場(chǎng)合中的多數(shù)無刷直流電機(jī)中具有代表性。假定三相繞組完全對(duì)稱，忽略齒槽效應(yīng)；且氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱；忽略磁路飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。則無刷直流電機(jī)電勢(shì)平衡方程式為：
U=E+Iacpracp+2△U (1)
式(1)中：U為電源電壓；E為電樞繞組反電勢(shì)；sacp為平均電樞電流；racp為電樞繞組的平均電阻；△U為功率管飽和壓降，對(duì)于橋式換相電路為2△U。該三相無刷直流電機(jī)等效電路圖如圖1所示。

，其中R(s)是一個(gè)n階低通濾波器R(s)=1／(λs+1)n；U(s)為內(nèi)模控制器的輸出控制量；Y(s)為系統(tǒng)的輸出；R(s)為系統(tǒng)輸入；D(s)為不可預(yù)測(cè)干擾。