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

摘要：針對無刷直流電機中傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜、對環(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)部對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，綜合其優(yōu)點，設(shè)計采用了一種基于內(nèi)部模型的PID控制器(簡稱IMC-PID)對無刷直流電機進行調(diào)速。在建立對象理論模型的基礎(chǔ)上，通過對控制器在線仿真比較表明：針對本設(shè)計對象，基于內(nèi)部模型的PID控制器不論在系統(tǒng)階躍響應(yīng)或是擾動跟蹤等控制效果上都能到達經(jīng)典PID控制的要求，同時還降低了參數(shù)設(shè)計的復(fù)雜性和隨機性。
關(guān)鍵詞：PID控制；內(nèi)模控制；IMC-PID控制；雙閉環(huán)直流電機；調(diào)速系統(tǒng)

無刷直流電機是新一代機電一體化產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)子采用永磁材料勵磁，無勵磁損耗，利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、高效節(jié)能、易于控制等優(yōu)點。故而在工業(yè)動力過程及生活領(lǐng)域等都得到了廣泛的應(yīng)用。
經(jīng)典PID控制在電機速度控制中已經(jīng)得到了比較成熟的應(yīng)用，但是受電動機負載等非線性因素的影響，傳統(tǒng)的控制策略在實際應(yīng)用中難以保持設(shè)計時的理想性能，且在系統(tǒng)運行過程中，參數(shù)對系統(tǒng)的外部環(huán)境的要求比較嚴格，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)模型進行控制器設(shè)計的新型控制策略，其具有結(jié)構(gòu)簡單、跟蹤調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強、能消除不可測干擾等優(yōu)點。文獻中通過采用內(nèi)?？刂圃韺Σ煌匦詫ο筮M行控制，結(jié)果表明：基于內(nèi)模原理的控制器設(shè)汁原理簡單，可同時考慮多種控制指標(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控制存在的對應(yīng)關(guān)系，將PID控制器設(shè)計轉(zhuǎn)化到內(nèi)模控制框架下進行，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模糊PID控制的要求，同時又降低了參數(shù)設(shè)計的復(fù)雜性和隨機性。
文中通過分析基于內(nèi)模原理的PID控制器的設(shè)計原理，解析出控制器參數(shù)的內(nèi)部數(shù)學(xué)模型，并針對雙閉環(huán)無刷直流電機凋速系統(tǒng)，采用MATLAB對設(shè)計的控制器與經(jīng)典PID控制器進行仿真比較。

1 無刷直流電機模型
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機，該模型在多種應(yīng)用場合中的多數(shù)無刷直流電機中具有代表性。假定三相繞組完全對稱，忽略齒槽效應(yīng)；且氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；忽略磁路飽和，不計渦流和磁滯損耗。則無刷直流電機電勢平衡方程式為：
U=E+Iacpracp+2△U (1)
式(1)中：U為電源電壓；E為電樞繞組反電勢；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，對于橋式換相電路為2△U。該三相無刷直流電機等效電路圖如圖1所示。

，其中R(s)是一個n階低通濾波器R(s)=1／(λs+1)n；U(s)為內(nèi)?？刂破鞯妮敵隹刂屏?；Y(s)為系統(tǒng)的輸出；R(s)為系統(tǒng)輸入；D(s)為不可預(yù)測干擾。