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摘要本文针对永磁无刷直流电机的直线运动提出了一种非线性反馈控制的设计方法。一种包含齿槽定位力在内的电机模型已经被推导出来。所得到的闭环系统通过计算机仿真来验证了所提出的控制方法的有效性。尽管这里的控制目标是执行线性运动的无刷直流伺服电机，此方法也同样适用于旋转式永磁无刷直流电机。28173
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毕业论文关键词 永磁无刷直流电机 非线性控制 精确线性化
Title Tracking Control of a Permanent Magnet BrushlessDC MotorAbstractThis paper presents a nonlinear feedback control design methodology for a linearmotion,permanent magnet brushless dc motor.A nonlinear state variable model forthe motor,including the cogging force,is derived.Computer simulations of theresulting closed-loop system are given to demonstrate the effectiveness of theproposed control laws.Although here the control objective is a brushless dc servomotor with linear action,the methodology developed is equally applicable to rotarypermanent magnet brushless dc motor.
Keywords Permanent Magnet Brushless DC Motor Nonlinear Control ExactLinearization
目次
1绪论1
1.1研究背景1
1.2研究现状3
2电机的建模6
2.1非线性状态变量模型6
2.2通过精确线性化方法对LPMBDCM建模9
2.3反馈控制器的设计11
3仿真结果12
3.1仿真软件介绍12
3.2仿真流程12
3.3有磁阻力时的仿真结果13
3.4无磁阻力时的仿真结果17
结论20
致谢21
参考文献22
附录A状态变量模型的推导.24
附录B相关程序代码.26
1 绪论1.1 研究背景在这个飞速发展的世界中，随着人们使用电气设备、消耗能源的增多，可再生能源如电能等愈发的重要。许多能够将自然资源转化为电能的设备已经被发明出来。毫无疑问，发电机作为一个将自然的机械能转化为电能并将电能储存在电池中的设备起着至关重要的作用。而能够反过来将电能转化为机械能的就是电动机了。无论是一般的发电机还是电动机，他们的主要任务是能量转换，他们的主要问题是提高能量转换的效率。而控制电机则与他们不同，控制电机在自动控制系统中，只起着一个元件的作用，它的主要任务是完成控制信号的传递和转换，而能量转换任务则是次要的。虽然从基本原理上说，控制电机与普通旋转电机在本质上没有多大差别，但普通旋转电机更着重于对电机的力能指标方面的要求，而控制电机则着重于对特性、高精度和快速响应方面的要求，以满足对系统提供的要求。而且，控制电机的使用范围很广，无论是地下、水面、海洋还是高空、太空以至原子能反应堆等地方都在使用，而且工作环境条件常常十分复杂，如高温、低温、烟雾、潮湿、冲击、震动、辐射等，这就要求电机在各种恶劣的环境条件下仍能准确、可靠的工作。直流电动机的主要优点是调速和启动特性好，堵转转矩大，因而被广泛的应用于各种驱动装置和伺服系统中。但是，普通直流电动机都有电刷和换向器，其间形成的滑动机械接触严重影响了电机的精度、性能和可靠性，所产生的火花会引起无线电干扰，缩短电机寿命，换向器电刷装置又使直流电机结构复杂、噪音大、文护困难，因此长期以来人们都在寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。随着电子技术的迅速发展，各种大功率的电子器件的广泛采用，这种愿望已被逐步实现。无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，使这种电机既具有直流电动机的特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、文护方便等优点；它的转速不再受到机械换向的限制，若采用高速轴承，还可以在高达每分钟几十万转的转速中运行。因此，无刷直流电动机的用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用，尤其适用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置、医疗化工等高新技术领域。无刷直流电动机将电子线路和电机融为一体，把先进的电子技术应用于电机领域，这将促使电机技术更新、更快的发展。相比于传统的直流电机或交流电机，永磁无刷直流电机（PMBDCM）是在电机技术中相对较新的发展。永磁无刷直流电动机具有良好的机械特性和调节特性,它具有调速范围宽、转矩大、结构简单、体积小、重量轻和节能高效等一系列优点,这一系列的优点使得它能够广泛地应用于传动系统和伺服驱动系统之中,而高性能的永磁材料比如稀土的出现,更是以其优越的磁性能和相对较低的价格,使得永磁无刷直流电机的开发和研究成为大家所关注的热点。 如今，越来越多的设计师选择使用永磁无刷直流电机而非传统的直流或异步电机进行驱动，原因主要有以下几点：（1）永磁无刷直流电机在结构上没有电刷，这一特点在本质上是一种免文护的操作，并且消除了由于换向所带来的所不期望的效果，如火花（尤其在危险的可燃环境中）、电刷的损耗、射频干扰等等；（2）永磁无刷直流电机的转子惯性低，这导致了电机的机械响应增加，电机加速和减速所需要的时间减少； （3）相比较相同尺寸的常规直流电机，永磁无刷直流电机所使用的稀土永磁材料具有更高的矫顽力， 进而能产生更高的功率质量比，因此，永磁无刷直流电机的操作效率相比同尺寸的常规直流电机要高出20%-50%；（4）在常规直流电机中，电枢绕组位于转子上，而永磁无刷直流电机的电枢绕组位于定子上，这就使得永磁无刷直流电机的电机绕组可以通过定子架外侧的散热片来降低温度，从而扩大电流密度的运行范围；（5）由于永磁无刷直流电机中没有换向片，转子的结构比较简单。然而，永磁无刷直流电机的范围调速的宽度、位置的精确度以及其在速度控制方面的应用受到了制约，这是由电机本身存在的转矩脉动所引起的。不仅如此，永磁无刷直流电机还存在着定子电枢电感,这就导致了电机在换相的过程当中将无法避免转矩脉动的产生,这就是永磁无刷直流电机产生转矩脉动的重要因素。现如今，国内外学者钻研的重要方面主要集中于分析和抑制永磁无刷直流电机在换相的过程当中所产生的转矩脉动,并且根据永磁无刷直流电机在运行与控制中所存在的这些问题，对控制方法进行探索，以求找到一种新的控制率，使得永磁无刷直流电机在换相的过程中所产生的转矩脉动得到抑制，从而减少电机在上述方面受到的限制。无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：（1）持续负载应用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。（2）可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。（3）定位应用：大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。实用性的新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域，还涉及了电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中，新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因为受到了价格的限制，其应用还不是十分的广泛。
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