無(wú)刷直流電機(jī)的滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)與仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要舵伺服系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域，有著廣泛應(yīng)用和重要的研究?jī)r(jià)值。應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)作為舵系統(tǒng)執(zhí)行器，可以增大系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。本文基于無(wú)刷直流電機(jī)執(zhí)行器，利用 DSP 與 FPGA 結(jié)合的核心處理單元，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)系統(tǒng)伺服，提高舵系統(tǒng)抗擾性和信號(hào)響應(yīng)的快速性；并在系統(tǒng)中加入滑模觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)量的觀測(cè)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制提供條件本文應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)作為舵系統(tǒng)執(zhí)行器，通過(guò)分析和設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，實(shí)現(xiàn)舵系統(tǒng)位置伺服控制，利用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略的特性，提高系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)和內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)的魯棒性，與基于傳統(tǒng)控制策略的伺服機(jī)構(gòu)相比，

2、系統(tǒng)的抗擾性得到了提高。并在系統(tǒng)中引入滑模觀測(cè)器，利用電流、電壓傳感器采樣相電流和相電壓作為該觀測(cè)器的給定量，觀測(cè)出電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)換相位置信號(hào)和三相反電動(dòng)勢(shì)波形，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制。本文通過(guò)分析舵伺服機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)出基于電動(dòng)伺服系統(tǒng)的數(shù)字控制器。利用 DSP 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和 FPGA 并行運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制算法，提高舵系統(tǒng)的性能。通過(guò) MATLAB 中 Simulink 環(huán)境下構(gòu)建理想系統(tǒng)模型，應(yīng)用滑模控制算法，進(jìn)行模型仿真。通過(guò)系統(tǒng)仿真分析，設(shè)計(jì)出滿足離散系統(tǒng)的滑模控制器參數(shù)。通過(guò) DSP 與 FPGA 結(jié)合的核心處理單元實(shí)

3、現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，應(yīng)用于舵伺服系統(tǒng)中1。最后，通過(guò)完成整體硬件與軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵伺服系統(tǒng)的控制。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了滑?？刂凭哂袕?qiáng)魯棒性和抗擾性，滿足舵系統(tǒng)對(duì)于快速性和抗擾性的技術(shù)要求，提高了系統(tǒng)整體控制性能。關(guān)鍵字：滑?？刂疲换Ｓ^測(cè)器；無(wú)刷直流電機(jī)；舵伺服系統(tǒng)；DSP+FPGABrushless dc motor of the sliding mode controller design and simulationAbstractRudder servo system is used in the aerospace field, it has important r

4、esearch value. Using BLDCM as the rubber system actuator, it will improve the systems output torque, and achieve systems miniaturization. Based on BLDCM actuator, combined DSP and FPGA as the core processing unit, using the strategy of sliding mode variable structure control achieve the rubber servo

5、 system which improve the robustness for disturbances and the speed for signal response. Adding sliding mode observer in the system realize the observation of internal system state which provide reliable parameters for the realization of position sensorless controlThrough a brief analysis of rudder

6、servo on both the main structure and working principle, based on the actual system technical requirements, this paper designs a digital controller which is based on electric servo system. Using DSP and FPGA as the core control unit, and the strong ability of DSP data processing and the ability of FP

7、GA parallel computing , achieve the design of control algorithms, and improve performance of rubber systemUsing BLDCM as the servo system actuator, through analysis and designing the algorithm of sliding mode control, this paper achieves the position servo control in rubber system. Using the charact

8、eristic of sliding mode variable structure improve the robustness for disturbance and inner parameters transformation. Compared with the control strategy based on traditional servo system, it improves the immunity of servo system. And adding sliding mode observer in the system, use circuit sensors a

9、nd voltage sensors sample phase circuit and phase voltage as the giving quantities to observer. This paper rely on observer getting the motors speed, moving rotors changing phase position signal and three-phases waveforms of back-EMF, so that achieve the sensorless motor controlUsing Simulink in MAT

10、LAB build the ideal mode of the real system and the algorithms of sliding mode, and carry out mode simulation.Through the system simulation, design a sliding mode controller which meet the parameters of discrete systems, and through the combination of DSP and FPGA core processing unit realize contro

11、l algorithm, which is applied to the rudder servo system. At last, finishing the design of whole hardware and software, realize the control of rubber servo system. Through the simulation and experiment, testified sliding mode control has strongly robustness and immunity for disturbance. This meets t

12、he rubber systems technology requirements including rapid and immunity for disturbance, and improves overall systems control performanceKeywords：Sliding mode control，Sliding mode observer，BLDCM， Rubber servo system，DSP+FPGA目 錄專心-專注-專業(yè)第1章緒 論1.1 課題背景及研究的目的和意義隨著科技的發(fā)展，伺服系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，主要應(yīng)用于智能機(jī)床、機(jī)器人、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及船舶

13、、車(chē)輛的自駕駛，可以說(shuō)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)工業(yè)全自動(dòng)智能化必不可少的環(huán)節(jié)。從 1934 年，最先提出伺服機(jī)構(gòu)（Servo mechanism）概念2，到現(xiàn)在近八十年的發(fā)展過(guò)程中，主要經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展過(guò)程：從最初的液壓伺服馬達(dá)、功率步進(jìn)電機(jī)；而后出現(xiàn)了的直流伺服電機(jī)；到現(xiàn)在的基于數(shù)字芯片控制，采用先進(jìn)控制策略的交流伺服系統(tǒng)。市場(chǎng)的巨大需求，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展推動(dòng)了交流伺服系統(tǒng)的前進(jìn)。伺服系統(tǒng)主要包括執(zhí)行器和伺服驅(qū)動(dòng)器，執(zhí)行器主要指電機(jī)、液壓缸等，而伺服驅(qū)動(dòng)器主要指系統(tǒng)控制器。相比較傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)，現(xiàn)在伺服系統(tǒng)具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、體積小、調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。而無(wú)刷直流電機(jī)是隨著電力電子發(fā)展和新型永磁材料的出

14、現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的新型電機(jī)，由于其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)字式伺服系統(tǒng)中。相比于其他種類(lèi)電機(jī)而言，它既具備直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速特性和高工作效率，又具有交流電機(jī)維護(hù)方便，構(gòu)造簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)。并且克服有刷直流電機(jī)采用電刷換相所帶來(lái)的機(jī)械火花、電磁干擾、電機(jī)損耗高、維護(hù)不方便等問(wèn)題，同時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)還具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出功率大、動(dòng)態(tài)特性好等。隨著新型永磁材料的出現(xiàn)，應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子材料價(jià)格下降及材料磁性能的提高，在高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍、中小功率的伺服系統(tǒng)中，受到研究員和開(kāi)發(fā)員的青睞，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣對(duì)于舵伺服系統(tǒng)主要研究方向?yàn)槎鏅C(jī)執(zhí)行器和舵伺服

15、驅(qū)動(dòng)器，而無(wú)刷直流電機(jī)由于其體積小，輸出轉(zhuǎn)矩大，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合做舵機(jī)執(zhí)行器；而舵伺服驅(qū)動(dòng)器主要依賴于現(xiàn)代控制器，其中包括數(shù)字處理器和先進(jìn)伺服算法。傳統(tǒng)的處理器多采用分立元件搭建的模擬電路，控制器體積大，算法可靠性低，系統(tǒng)抗擾性差、成本高。而數(shù)字式處理電路，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗擾性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的伺服算法針對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，先進(jìn)伺服算法可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)良的調(diào)速性能，提高系統(tǒng)的抗擾性和快速性。經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)的控制器適用于模型確定的線性系統(tǒng)，不能滿足高性能指標(biāo)要求，控制器具有局限性3。由于系統(tǒng)模型不確定性、非線性、參數(shù)變化，通過(guò)引入先進(jìn)伺服算法，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾性，并且對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)

16、部參數(shù)變化有很好的魯棒性。本文主要針對(duì)舵伺服系統(tǒng)問(wèn)題，而本實(shí)驗(yàn)舵系統(tǒng)對(duì)于控制器的性能要求主要包括兩個(gè)方面，快速性和抗擾性。通過(guò)引入滑?？刂撇呗裕蓪?shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)攝動(dòng)和擾動(dòng)的強(qiáng)魯棒性，提高系統(tǒng)控制性能，對(duì)于工程應(yīng)用有非常重要的研究?jī)r(jià)值1.2 國(guó)內(nèi)外伺服研究現(xiàn)狀目前直流電機(jī)仍廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中，但無(wú)刷直流電機(jī)正逐步取代直流電機(jī)成為伺服系統(tǒng)的主流4。隨著科技發(fā)展進(jìn)步，人們需求的設(shè)備性能提高，伺服系統(tǒng)正朝著小型化、數(shù)字化、高效率化及高智能化的方向發(fā)展。因此，對(duì)于伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，提出了更高的要求。無(wú)刷直流電機(jī)也正是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。而國(guó)外公司將無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用于工程中較早，如日本的F

17、ANUC、Fujistu、Panasonic，美國(guó)的AE、Kollmorgen，德國(guó)的SIEMENS，法國(guó)的EBC、韓國(guó)的Samsung等，早在 20 世紀(jì) 80 年代已經(jīng)推出了基于無(wú)刷直流電機(jī)的交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)一直由國(guó)外把持，國(guó)內(nèi)在此方面起步比較晚5。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)在生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用規(guī)模都在快速增長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)的一流大學(xué)和研究所都開(kāi)始研究并推出交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品，推動(dòng)我國(guó)無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展和進(jìn)步，在工業(yè)、自動(dòng)化、航空航天以及現(xiàn)代軍事等領(lǐng)域迅速得到應(yīng)用。1.3 無(wú)刷直流電機(jī)控制方法基于無(wú)刷直流電機(jī)的伺服系統(tǒng)控制策略種類(lèi)很多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)實(shí)際性能指標(biāo)選擇，不同的控制策略

18、或組合控制策略，可提高系統(tǒng)控制精度。由于無(wú)刷直流電機(jī)存在電磁轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，而且電機(jī)參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，傳統(tǒng)的控制方法無(wú)法滿足高精度的伺服控制。隨著研究的深入，一些新型、非線性的伺服控制策略，逐漸應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，主要有以下幾種：1.3.1 傳統(tǒng)的控制方法傳統(tǒng)的控制方法主要包括 PID 控制，Smith 預(yù)估計(jì)器、解耦控制。PID控制是經(jīng)典控制方法，具有很強(qiáng)的魯棒性，是交流伺服系統(tǒng)中一種最基本的控制策略。一般利用PID的無(wú)差調(diào)節(jié)特性，將其與其他控制策略組合，同時(shí)應(yīng)用數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)PID控制算法5，構(gòu)成數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。對(duì)于高性能指標(biāo)的伺服系統(tǒng)，PID控制方法將無(wú)

19、法滿足系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，適用范圍有局限。1.3.2 模糊控制方法模糊控制不需要精確的了解伺服系統(tǒng)模型，對(duì)于模型復(fù)雜或模型不確定的系統(tǒng)，通過(guò)將模糊邏輯語(yǔ)言作為系統(tǒng)的控制函數(shù)，通過(guò)將反饋參量與給定參量做差，作為一個(gè)控制量，在一個(gè)“大約”的控制范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出量輸出大小的調(diào)節(jié)?？梢哉f(shuō)模糊控制，類(lèi)似于人的控制過(guò)程，包含了人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，對(duì)于設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)要求較高，若設(shè)計(jì)控制不合理，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的控制性能6。1.3.3 魯棒控制方法系統(tǒng)不確定性主要包括模型不確定性，如參數(shù)攝動(dòng)與未建模動(dòng)態(tài)特性；以及外界擾動(dòng)不確定性。通過(guò)設(shè)計(jì)魯棒控制器可保證系統(tǒng)穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性，從而滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)的要求7

20、。 H是魯棒控制中較為成熟的方法，以擾動(dòng)輸入至評(píng)價(jià)信號(hào)的傳遞函數(shù)矩陣的范數(shù)作為性能指標(biāo)，依據(jù)該性能指標(biāo)設(shè)計(jì)控制器，對(duì)于擾動(dòng)抑制有很好的效果。由于魯棒控制能夠解決系統(tǒng)不確定性問(wèn)題，其控制方法也是主要的研究方向。但魯棒控制會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法工作在最優(yōu)狀態(tài)，所以不能發(fā)揮系統(tǒng)最佳性能，控制效果有限制。1.3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制主要應(yīng)用于非線性系統(tǒng)中，對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)有很強(qiáng)的映射能力，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能在舵伺服系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)模型自適應(yīng)功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在伺服系統(tǒng)中主要應(yīng)用以下幾個(gè)方面：（1）通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)跟蹤、在線辨識(shí)，通過(guò)在線調(diào)整磁通和轉(zhuǎn)速控制器，從而提高矢量控制效果；（2）

21、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁通幅值、位置及轉(zhuǎn)速的精確估算，從而為感應(yīng)電機(jī)矢量控制提供所需狀態(tài)量；（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以與模型參考自適應(yīng)控制方法結(jié)合，此組合控制器可應(yīng)用于自適應(yīng)速度控制器。但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制需要經(jīng)過(guò)大量的運(yùn)算處理，對(duì)于硬件要求很高，工程成本投入很高，適用范圍很小7。1.3.5 自適應(yīng)控制方法由于伺服系統(tǒng)電機(jī)參數(shù)變化和外界干擾對(duì)于系統(tǒng)伺服性能的影響，可采用自適應(yīng)控制策略加以降低或消除。模型參考自適應(yīng)控制方法是在控制器與被控對(duì)象組成的基本回路外，重新搭建一個(gè)基于參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的附加調(diào)節(jié)電路。其中自適應(yīng)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，從而對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生附加的調(diào)節(jié)作用，使伺服電機(jī)輸出和參考模型輸出

22、一致1.3.6 滑模變結(jié)構(gòu)控制方法滑模控制的方法出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 50 年代，其發(fā)展過(guò)程大致可以分為三個(gè)階段（1 ） 1957-1962 年在 20 世紀(jì) 50 年代，前蘇聯(lián)學(xué)者 Utkin 和 Emelyanov首次提出滑?？刂频母拍睿腔？刂品椒ǔ醪叫纬傻臉?biāo)志，設(shè)計(jì)和研究該方法的目的，主要是實(shí)現(xiàn)二階線性系統(tǒng)控制；（2）1962-1970年到60年代，對(duì)于滑模控制方法的主要研究方向?yàn)楦唠A線性系統(tǒng)，且僅限于SISO系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容包括，高階線性系統(tǒng)控制中應(yīng)用線性切換函數(shù)控制是否受限和切換函數(shù)的二次型等問(wèn)題。現(xiàn)在，滑模控制在工程領(lǐng)域的主要應(yīng)用范圍包括：機(jī)器人控制、飛行器控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制及

23、電機(jī)與電力系統(tǒng)控制等。滑?？刂频奶赜行再|(zhì)在于，通過(guò)該控制方法可實(shí)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)附近運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于外界擾動(dòng)和內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)具有強(qiáng)的魯棒性。在舵機(jī)伺服系統(tǒng)中，由于具有非線性和不確定性，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)很難確定為一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而在建模過(guò)程中，需要忽略一些不確定因素。而由于模型不確定性，從而導(dǎo)致控制器設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致控制系統(tǒng)品質(zhì)下降。但對(duì)于滑?？刂铺赜械膮?shù)攝動(dòng)不靈敏性和強(qiáng)魯棒性，對(duì)于不確定的控制系統(tǒng)也能滿足要求，也正是由于滑?？刂铺赜械奶攸c(diǎn)，非常適合伺服系統(tǒng)控制。滑模變結(jié)構(gòu)控制缺點(diǎn)在于由于系統(tǒng)控制函數(shù)控制系統(tǒng)沿著滑模面附近運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生高頻開(kāi)關(guān)切換，從而系統(tǒng)引入抖振問(wèn)題。產(chǎn)生抖振的主要原因是，控

24、制函數(shù)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在滑模面附近，控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行高頻切換，并在滑模面上往復(fù)穿越，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”的改變，但由于切換速度有限大，從而形成抖振，并且抖振波形疊加于滑模動(dòng)態(tài)上。滑?？刂频闹饕秉c(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，存在高頻的抖振，抖振不僅影響控制的準(zhǔn)確性，而且增加系統(tǒng)的能量消耗，甚至能夠引起系統(tǒng)失穩(wěn)，燒毀主要控制器件。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于抗抖振問(wèn)題，已經(jīng)獲得了一些成果，并從不同角度提出了解決方法。主要包括：設(shè)計(jì)切換函數(shù)的趨近律法；應(yīng)用濾波器對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行低通濾波的濾波法；采用滑模控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或遺傳算法與滑模變結(jié)構(gòu)控制算法相結(jié)合的智能控制法；應(yīng)用切換函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)構(gòu)成新的切換函數(shù)算法的切換增益法；設(shè)計(jì)兩

25、個(gè)滑動(dòng)模面實(shí)現(xiàn)滑模切換控制的扇形區(qū)域法等。對(duì)于上述克服抖振的方法各有優(yōu)缺性，需要分析實(shí)際系統(tǒng)，選擇合適的方法，從而優(yōu)化滑模控制器，提高系統(tǒng)控制精度1.4 伺服系統(tǒng)應(yīng)用的主要問(wèn)題隨著電力電子技術(shù)發(fā)展、集成電路拓?fù)涠鄻踊妥兯衮?qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)有了突破性的發(fā)展8，電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器正朝著數(shù)字化的方向發(fā)展。針對(duì)不同的伺服系統(tǒng)，根據(jù)要求的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)不同的執(zhí)行器與伺服驅(qū)動(dòng)器的組合，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)功能。而本文主要針對(duì)舵伺服系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的電伺服機(jī)構(gòu)采用模擬電路控制主要缺點(diǎn)為體積大、可靠性低、精度低，已經(jīng)逐步被數(shù)字式電伺服取代。實(shí)際系統(tǒng)的舵機(jī)系統(tǒng)的要求主要有以下5個(gè)方面：（1）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有足夠的輸

26、出力矩和功率，滿足不同條件的要求；（2）能夠頻繁的起、停、止、反重復(fù)運(yùn)行；（3）通過(guò)控制器指令，能夠快速的進(jìn)行位置、速度控制；（4）伺服系統(tǒng)應(yīng)具有好的穩(wěn)定性，對(duì)于系統(tǒng)的控制命令響應(yīng)速度快；（5）要便于維護(hù)。為要滿足技術(shù)要求高的舵系統(tǒng)，則需要舵機(jī)執(zhí)行器和舵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器能夠達(dá)到更高的性能指標(biāo)，特別在航空航天及軍事武器領(lǐng)域，提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。利用數(shù)字式控制器，應(yīng)用先進(jìn)伺服算法，提高系統(tǒng)的快速性、可靠性和抗擾性，從而使舵機(jī)位置伺服更加準(zhǔn)確而由于舵伺服系統(tǒng)具有非線性和不確定性，存在很多影響系統(tǒng)性能的因素，主要包括以下四個(gè)方面（1）非線性因素：摩擦力矩、負(fù)載擾動(dòng)，驅(qū)動(dòng)飽和、電機(jī)力矩波動(dòng)；（2）參數(shù)攝動(dòng)：負(fù)載

27、變化導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化，電機(jī)運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高所引起的溫漂；（3）機(jī)械振動(dòng)及高頻未建模動(dòng)態(tài)；（4）測(cè)量延遲即信號(hào)噪聲。隨著舵機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，為了適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)于系統(tǒng)的抗擾性提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，在選擇和設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，需要能夠克服影響系統(tǒng)的參數(shù)攝動(dòng)和非線性因素，提高系統(tǒng)控制性能1.5 課題研究的主要內(nèi)容本文主要針對(duì)舵機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于數(shù)字式控制電路，設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制和滑模觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)系統(tǒng)的位置-電流的雙環(huán)控制。通過(guò)滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)換相位置信號(hào)、反電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)，應(yīng)用于無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中。本文應(yīng)用 MATLAB 平臺(tái)下 Simulink

28、 進(jìn)行系統(tǒng)模型仿真，通過(guò)仿真分析，設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際系統(tǒng)要求的控制算法10。最后，本文詳細(xì)說(shuō)明了所設(shè)計(jì)的舵伺服系統(tǒng)硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)，以及各部分所實(shí)現(xiàn)的功能。本文的舵伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件選擇無(wú)刷直流電機(jī)，以 DSP 與 FPGA 相結(jié)合數(shù)字芯片作為系統(tǒng)核心運(yùn)算單元，完成復(fù)雜的滑?？刂扑惴ǎ罱K實(shí)現(xiàn)舵系統(tǒng)位置伺服。課題主要包括以下四個(gè)方面：（1）文章首先介紹無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理，依據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng)模型，并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)性能指標(biāo)，選擇所需要的驅(qū)動(dòng)控制方法，完成伺服系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)；（2）通過(guò)基于 MATLAB 的 Simulink 仿真平臺(tái)，應(yīng)用滑模控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)于無(wú)刷直

29、流電機(jī)的雙閉環(huán)控制。并利用滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)換相位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)，此方法可實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制；（3）基于滑?？刂扑惴ǎO(shè)計(jì)出舵伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電機(jī)系統(tǒng)的伺服控制。控制策略包括外環(huán)位置滑?？刂疲瑑?nèi)環(huán)電流 PID 控制；（4）通過(guò) DSP 與 FPGA 控制器組合，實(shí)現(xiàn)滑?？刂坪突Ｓ^測(cè)器算法。此設(shè)計(jì)方法，既利用 DSP 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)利用 FPGA 并行處理能力。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證滑?？刂频男阅埽⒖偨Y(jié)實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的問(wèn)題。第2章 伺服系統(tǒng)的構(gòu)成與數(shù)學(xué)模型本章主要介紹了基于無(wú)刷直流電機(jī)的伺服系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理，深

30、入分析組成伺服系統(tǒng)的各個(gè)部分的功能，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，得到了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，從系統(tǒng)功能入手，優(yōu)化了基于 DSP 和 FPGA的控制結(jié)構(gòu)。2.1 伺服系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖2-1無(wú)刷電機(jī)控制的結(jié)構(gòu)圖圖 2-1 為無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。無(wú)刷直流電機(jī)采用DSP與FPGA組合的控制系統(tǒng)，通過(guò) DSP 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。采樣三路相電流和母線電流，及三路相電壓信號(hào)作為滑模觀測(cè)器輸入，在 DSP 觀測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速 n、角位置、反電動(dòng)勢(shì)ex，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)位置傳感器啟動(dòng)和控制，從而節(jié)約系統(tǒng)成本和提高控制精度。無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)具有小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性、制

31、造簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)滑?？刂破骺梢钥刂茻o(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)伺服控制。相比較傳統(tǒng)的 PID 控制，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制可以提高系統(tǒng)的魯棒性，對(duì)于擾動(dòng)，具有很好的抑制作用。伺服系統(tǒng)內(nèi)環(huán)電流環(huán)應(yīng)用PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無(wú)靜差控制。從而保證了整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)需要增加三路相電壓和相電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，相電壓和相電流檢測(cè)信號(hào)作為滑模觀測(cè)器輸入，然后估算出電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)估算出轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)換相位置信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的觀測(cè)。同時(shí)電機(jī)需要通過(guò)電流傳感器把電機(jī)三路相電流檢測(cè)出來(lái)，電機(jī)相電流一用于電流閉環(huán)控制，二作為滑模觀測(cè)器輸入，從而通過(guò)切換函數(shù)，實(shí)現(xiàn)滑模變

32、結(jié)構(gòu)控制。2.1.1 無(wú)刷直流電機(jī)的選擇根據(jù)伺服系統(tǒng)的工作用途不同，選擇不同容量的無(wú)刷直流電機(jī)12，以滿足實(shí)際系統(tǒng)要求。本文應(yīng)用無(wú)刷直流電機(jī)作為舵伺服系統(tǒng)的執(zhí)行器，功率要求大于等于700W，額定力矩 1.1 NM，額定轉(zhuǎn)速為 2000 。相比較舵伺服系統(tǒng)與其他伺服系統(tǒng)最大的不同之處，主要是對(duì)于系統(tǒng)的小型化、快速性和抗擾性要求很高，所以在選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)選用位置傳感器內(nèi)置，且額定轉(zhuǎn)速高的隱極電機(jī)2.1.2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式有很多種，主要有滯環(huán)比較，PWM，SPWM，SVPWM等。針對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，主要采用滯環(huán)比較和 PWM 兩種方式，而對(duì)于 SPWM 和 SVPWM 均為 PM

33、SM 的控制方式，輸出的磁勢(shì)呈正弦狀態(tài)變化，不適合無(wú)刷直流電機(jī)控制。滯環(huán)比較方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主要應(yīng)用于模擬電路中，滯環(huán)帶可調(diào)；而PWM多用于數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可產(chǎn)生高頻的開(kāi)關(guān)信號(hào)，提高電機(jī)控制的精度，而且對(duì)于數(shù)字電路可實(shí)現(xiàn)可靠的 0-1 切換。通過(guò)改變PWM信號(hào)占空比，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓，可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)調(diào)速，從而到達(dá)給定位置，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)位置伺服2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的工作原理基本相同，主要利用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，依據(jù)換相邏輯表，判斷開(kāi)關(guān)導(dǎo)通順序，輸出驅(qū)動(dòng)器所需的開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)的定子繞組有星形接法和三角形接法，其中星形接法的電機(jī)以兩兩導(dǎo)

34、通方式最為常用，本課題所使用的電機(jī)就是此電機(jī)。兩兩導(dǎo)通模式，即在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，三相逆變電路的上橋臂和下橋臂分別只能有一個(gè)導(dǎo)通，且非同側(cè)功率開(kāi)關(guān)管，每相導(dǎo)通時(shí)間為 的電角度，而一個(gè)霍爾周期中有六個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)，即每一個(gè)周期內(nèi)，每檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)變化，就將根據(jù)開(kāi)關(guān)邏輯表，依據(jù)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，控制器輸出下一時(shí)刻開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而保證每一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間均為120 電角度。無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程、轉(zhuǎn)子位置與磁勢(shì)方向如圖2-2所示。圖2-2中顯示了定子繞組的聯(lián)結(jié)方式，三個(gè)繞組通過(guò)中心的連接點(diǎn)以“Y”型的方式聯(lián)結(jié)。當(dāng)電機(jī)以兩兩導(dǎo)通方式工作時(shí)，共有6種情況，如圖2-2中描述6種情況下每個(gè)通電線圈產(chǎn)生的磁勢(shì)

35、的方向和兩個(gè)線圈的合成磁勢(shì)方向AB相導(dǎo)通 AC相導(dǎo)通C）BC相導(dǎo)通 D）BA相導(dǎo)通E)CA相導(dǎo)通 F)CB相導(dǎo)通圖 2-2 星形繞組兩兩導(dǎo)通的 6 種情況在圖（2-2 a)中，AB相通電，即此時(shí)的電角度為0，轉(zhuǎn)子會(huì)盡量向定子線圈所產(chǎn)生的合成磁勢(shì)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子所形成的磁場(chǎng)與定子線圈通電的磁場(chǎng)相互作用，從而推動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60的電角度，即如圖 2-2b)所示，圖2-3一個(gè)周期內(nèi)霍爾信號(hào)開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖若為了避免由于前一時(shí)刻的定子線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互削弱，需外線圈換相，改成AC相通電，這時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置到達(dá)圖2-2c)中箭頭位置時(shí)，外線圈再次換相，改成BC相

36、通電，再以此類(lèi)推。當(dāng)外線圈完成 6 次換相后，內(nèi)轉(zhuǎn)子正好旋轉(zhuǎn)一周圖2-3中畫(huà)出了換相前和換相后合成磁場(chǎng)方向的比較與轉(zhuǎn)子位置的變化。一般來(lái)說(shuō)，換相時(shí)，轉(zhuǎn)子處于與合成磁力線方向垂直方向，將使電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩。如圖2-3所示，電機(jī)的運(yùn)行位置與當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子所到達(dá)的位置有關(guān)，在一個(gè)電周期內(nèi)出現(xiàn)的霍爾信號(hào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。表 2-1 無(wú)刷直流電機(jī)正傳時(shí)開(kāi)關(guān)序列表電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通序列轉(zhuǎn)子角度橋臂導(dǎo)通相開(kāi)關(guān)管霍爾輸出060AB1、610160120AC1、2100120180BC3、2110180240BA3、4010240300CA5、4011300360CB5、6001電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通相序，與霍爾

37、傳感器獲得的位置信號(hào)有關(guān)，根據(jù)三相 Y 型兩兩導(dǎo)通的電機(jī)工作過(guò)程，表 2-1 表示電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)橋臂導(dǎo)通相、開(kāi)關(guān)管和霍爾信號(hào)的情況16，表 2-2 表示電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)橋臂導(dǎo)通相、開(kāi)關(guān)管和霍爾信號(hào)的情況表 2-2 無(wú)刷直流電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)序列表電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通序列轉(zhuǎn)子角度橋臂導(dǎo)通相開(kāi)關(guān)管霍爾輸出300360BC3、2110240300AC1、2100180240AB1、6101120180CB5、600160120CA5、4011060BA3、4010由上表可以看出，雖然由于正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻不同，但是在特定的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻均有相同的霍爾位置信號(hào)，而且對(duì)于正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)只是邏輯開(kāi)關(guān)順序反過(guò)來(lái)。在正轉(zhuǎn)

38、時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通順序?yàn)?AB-AC-BC-BA-CA-CB，即分別是逆變器的上下橋臂的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通順序不同，但每一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間均為120 的電角度，從而方便控制。圖 2-4 無(wú)刷電機(jī)的位置信號(hào)、導(dǎo)通次序、反電動(dòng)勢(shì)、相電流波形圖在電機(jī)正轉(zhuǎn)條件下，圖 2-4 為三路霍爾元件輸出波形，逆變器上下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序，三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形和三相相電流波形?？梢钥闯鰺o(wú)刷直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，其大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，相電流波形為矩形波。根據(jù)霍爾信號(hào)所檢測(cè)的不同轉(zhuǎn)子位置，控制繞組導(dǎo)通相序17。在電機(jī)正轉(zhuǎn)條件下，圖 2-4 為三路霍爾元件輸出波形，逆變器上下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序，三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形和三相相電流波形

39、?？梢钥闯鰺o(wú)刷直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為梯形波，其大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，相電流波形為矩形波。根據(jù)霍爾信號(hào)所檢測(cè)的不同轉(zhuǎn)子位置，控制繞組導(dǎo)通相序。2.3 無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型2.3.1 無(wú)刷直流電機(jī)的方程由電機(jī)學(xué)可知，無(wú)刷直流電機(jī)相電壓方程可表示為；=+P+ (2-1)式中:、電機(jī)三相相電壓,(V)； 、電機(jī)三相反電勢(shì)，( V)； 、電機(jī)三相相電流，( A)；、三相繞組電阻，()、三相繞組自感，( H)兩相繞組間互感（其余各相互感值類(lèi)推），( H)P= （2-2）微分算子。無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成，磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定，對(duì)于定子互感無(wú)影響可忽略，可設(shè)定、為常數(shù). 與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。且= = L， =

40、 = = = = =M.令= = =R,則=+P (2-3)由于無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部定子繞組連接是按星型接法，無(wú)中線端子，則+=0 (2-4)+=0 (2-5)由此相電壓方程簡(jiǎn)化=+ (2-6)2.3.2 無(wú)刷直流電機(jī)的狀態(tài)方程可將公式(2-6)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程的形式，即：=- (2-7)根據(jù)公式(2-7)可構(gòu)建無(wú)刷直流電機(jī)等效電路，系統(tǒng)仿真模型也正是基于此等效模型，如圖2-5所示。圖2-5 無(wú)刷直流電機(jī)等效電路2.3.3 無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程由定子繞組導(dǎo)通產(chǎn)生磁場(chǎng)與永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而輸出電磁轉(zhuǎn)矩，無(wú)刷直流電輸出的電磁轉(zhuǎn)矩方程：=（+）=2 (2-8)設(shè)當(dāng)橋臂導(dǎo)通相為AB相時(shí)，存

41、在=,=0, 為簡(jiǎn)化公式，設(shè)=,為導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)幅值,=, ix, 為導(dǎo)通相相電流幅值。而任意導(dǎo)通時(shí)刻電機(jī)內(nèi)兩相反電動(dòng)勢(shì)與相電流乘積相等，而另一相相電流為零將式(2-8)帶入式(2-7)中，可獲得電磁轉(zhuǎn)矩另一公式：= (2-9)通過(guò)公式(2-9)可知，若要求電機(jī)輸出恒定電磁轉(zhuǎn)矩，則要保證相電流與反電動(dòng)勢(shì)幅值恒定，若要控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，則要求反電動(dòng)勢(shì)呈梯形波變化，相電流呈方波變化。同時(shí)要保證電流與反電動(dòng)勢(shì)的平頂部分在每個(gè)周期中，都要嚴(yán)格保持同步。無(wú)刷直流電機(jī)工作特性與普通直流電機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩輸出大小與電機(jī)繞組相電流幅值成正比，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)繞組相電流，可實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩控制。2.3.4 無(wú)刷直流電機(jī)的

42、運(yùn)動(dòng)方程無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程：-=J (2-10)式中 Te電磁轉(zhuǎn)矩， ( N m)； TL 負(fù)載轉(zhuǎn)矩，( N m)； J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，( kg)； B 阻尼系數(shù)，( kg)； 轉(zhuǎn)子角速度，(r/s)。2.3.5 無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性無(wú)刷直流電機(jī)定子側(cè)反電動(dòng)勢(shì)幅值：E=2=2n （2-11）其中=2為電勢(shì)系數(shù)，為相繞組等效匝數(shù)。若考慮無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部壓降和線路損耗，以導(dǎo)通方式控制逆變器工作，逆變輸出側(cè)電壓為為U=，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，電機(jī)內(nèi)外電壓平衡，U=E+即= Cen+ (2-12)n= (2-13)式中為回路等效電阻，主要包括無(wú)刷直流電機(jī)兩相定子繞組電阻和線路等效電阻；為母線電流.=

43、2 (2-14)將(2-14)代入(2-13)，獲得無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)械特性n= (2-15)由式(2-13)和式(2-15)，可知無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可通過(guò)改變直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-6所示，可根據(jù)該結(jié)構(gòu)圖，在仿真平臺(tái)建立無(wú)刷直流電機(jī)模型。圖2-6 無(wú)刷直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由無(wú)刷直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以求得其傳遞函數(shù)為：n(s)=U(s)- (2-16)式中為電動(dòng)勢(shì)傳遞函數(shù)，=為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，= (2-17)R為電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為時(shí)間常數(shù)，Tm= (2-18) G為轉(zhuǎn)子重量， D為轉(zhuǎn)子直徑。第3章滑模變結(jié)構(gòu)控理論3.1滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理滑模變結(jié)構(gòu)

44、控制是控制系統(tǒng)中的一類(lèi)特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略與常規(guī)控制策略的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是在動(dòng)態(tài)過(guò)程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)( 如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等) 有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)且與對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這就使得滑模變結(jié)構(gòu)具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、無(wú)須系統(tǒng)在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。3.2滑模運(yùn)動(dòng)及其存在和到達(dá)條件對(duì)于一般的情況，在系統(tǒng)的狀態(tài)空間中，有一個(gè)切換面:=(S)=S()=0 (3-1)上式將狀態(tài)空間分成上下兩部分 s0及s 0，系統(tǒng)在切換面上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)分為3種情況1) 通

45、常點(diǎn) 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到切換面s = 0附近時(shí)，穿越此點(diǎn)而過(guò)2)起始點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換面s = 0 附近時(shí)，從切換面的兩邊離開(kāi)該點(diǎn)3)終止點(diǎn) 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)到達(dá)切換面 s = 0 附近時(shí)，從切換面的兩邊趨向該點(diǎn)在滑模變結(jié)構(gòu)中，通常點(diǎn)與起始點(diǎn)無(wú)多大意義，終止點(diǎn)卻又特殊意義，“滑動(dòng)模態(tài)”區(qū)域必須由終止點(diǎn)構(gòu)成，系統(tǒng)在滑模區(qū)中進(jìn)行“滑模運(yùn)動(dòng)”3.3滑模變結(jié)構(gòu)控制對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)需要確定確定切換函數(shù)s = s( x) ，s求解控制函數(shù):U= (3-2)滑動(dòng)模態(tài)存在;滿足可達(dá)性條件，即在切換面 以外的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)都將于有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面;保證滑模運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性;達(dá)到控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求。3.3.1滑模變結(jié)構(gòu)控制

46、器設(shè)計(jì)滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)主要包含切換函數(shù)(滑模面)和控制律( 控制量)的設(shè)計(jì)。滑模面一旦選定以后，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)后其動(dòng)態(tài)響應(yīng)只與此滑模面的參數(shù)有關(guān)，而與擾動(dòng)無(wú)關(guān)，從而達(dá)到抑制擾動(dòng)和參數(shù)波動(dòng)的效果?？刂屏康倪x取則應(yīng)保證系統(tǒng)滿足到達(dá)條件，即使系統(tǒng)狀態(tài)趨向并且沿滑模面運(yùn)動(dòng)直至穩(wěn)態(tài)。3.3.2切換函數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)于可控系統(tǒng)( A，B) 來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)模態(tài)在滑模切換面 s = Cx = 0 上的動(dòng)態(tài)性能只取決于 C，滑動(dòng)模態(tài)存在與可達(dá)性的充分必要條件detC，B0，系統(tǒng)在切換面上的滑模運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的充分條件是滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)的微分方程的特征方程的所有根均具有負(fù)實(shí)部。因此，可通過(guò)選擇一個(gè)合適 C 滿足上述要求，根據(jù) A

47、ckermann 公式設(shè)計(jì)滑?？刂坡芍?C 的值C=P(A) (3-3)3.3.3控制律的設(shè)計(jì)采用滑模控制時(shí)，為提高控制品質(zhì)需引入趨近律17，主要原因是:1) 減少能動(dòng)階段時(shí)間。滑模運(yùn)動(dòng)的可達(dá)性僅實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)空間任意位置的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)必于有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面，但此段時(shí)間的具體軌跡未作規(guī)定。為改善該段運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)，一定程度上可用趨近律進(jìn)行控制。2) 減小抖振。從物理意義上理解，產(chǎn)生抖振因是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)以其固有的慣性沖向切換面時(shí)具有有限大的速度。因此，可為控制該速度而設(shè)計(jì)各種趨近率。常用的趨近律有等速趨近律、指數(shù)趨近律和次趨近律等。就能保證當(dāng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)離切換面較遠(yuǎn)時(shí)，趨近速率較大，縮短趨近時(shí)間，而當(dāng)?shù)竭_(dá)切換面時(shí)

48、，趨近速率變得較小，從而削弱了抖振。3.4抖振改善在滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中 ，由于存在時(shí)間上的延遲和空間上的滯后等原因，使得滑動(dòng)模態(tài)成抖振形式，這種抖振不僅影響控制的精確性，增加能量消耗，而且將可能激勵(lì)系統(tǒng)中存在的未建模高頻成分19，并可能增加控制器的負(fù)擔(dān)，影響控制性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。抑制抖振可采用準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)、動(dòng)態(tài)滑模、模糊滑模、切換增益、濾波器、觀測(cè)器、趨近律等方法，各有適應(yīng)場(chǎng)所。為降低抖動(dòng)的影響，本文采用飽和函數(shù)代替 sign(s) 函數(shù)來(lái)抑制抖振，該方法也屬于準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)的一種類(lèi)型。第4章 基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先本章詳細(xì)介紹滑?？刂埔约盎Ｓ^測(cè)器的基本原理，并利用MAT

49、LAB 中 Simulink 的仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)出理想系統(tǒng)仿真模型，應(yīng)用指數(shù)趨近律的滑模控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)于速度電流的雙環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)控制，其中外環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，內(nèi)環(huán)為傳統(tǒng)的電流 PI 控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)于伺服機(jī)構(gòu)的無(wú)差調(diào)節(jié)控制。并且在仿真實(shí)驗(yàn)中，加入了滑模觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)換相位置信號(hào)、反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)速的觀測(cè)，從而解決無(wú)位置傳感器的電機(jī)伺服問(wèn)題。4.1 滑模控制器滑模變結(jié)構(gòu)控制，是一種非線性控制方法，主要表現(xiàn)在控制的不連續(xù)性。此方法與其他控制方法的主要區(qū)別在于控制系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”處于變化的狀態(tài)，可在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，有目的改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而不斷的逼近所期望的輸出結(jié)果

50、20。在其運(yùn)行過(guò)程中，主要的運(yùn)行軌跡依據(jù)設(shè)定好的“滑動(dòng)模態(tài)”軌跡，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤趨近從理論上來(lái)講，滑動(dòng)模態(tài)可以根據(jù)不同的控制對(duì)象，設(shè)計(jì)不同的滑模面，從而滿足工程上不同的需求。具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）滑模控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，其控制運(yùn)動(dòng)與控制對(duì)象的參數(shù)變化和系統(tǒng)的外部擾動(dòng)無(wú)關(guān)，從而提高系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)的魯棒性。（2）滑模控制能夠克服系統(tǒng)不確定性，應(yīng)用于非線性系統(tǒng)中具有優(yōu)良的控制性能，而且對(duì)未建模動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中參數(shù)攝動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性。（3）滑模控制算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、可靠性及抗干擾性，提高系統(tǒng)整體控制性能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要有兩個(gè)階段: （1）到達(dá)運(yùn)動(dòng)階段，即滑?？刂浦械内吔^(guò)程

51、。在該階段中，系統(tǒng)會(huì)在有限的時(shí)間內(nèi)從任意初始狀態(tài)到達(dá)切換面。（2）保持運(yùn)動(dòng)階段，即在控制律作用下的滑模運(yùn)動(dòng)。在該階段中，系統(tǒng)會(huì)保持在滑模面附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷的逼近滑模面，且極限情況下，穩(wěn)定在滑模面上。對(duì)于舵伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選擇無(wú)刷直流電機(jī)，具有很多優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于伺服機(jī)構(gòu)中。為滿足舵機(jī)系統(tǒng)更高技術(shù)性能要求，本文對(duì)舵伺服系統(tǒng)控制策略提出了改進(jìn)。第一章中可知，控制策略有很多優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但對(duì)于技術(shù)指標(biāo)不同的伺服系統(tǒng)，可以選擇不同的控制策略或者組合策略。而對(duì)于本課題的伺服系統(tǒng)，利用滑模變結(jié)構(gòu)的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)于外界擾動(dòng)的不靈敏（抗擾性），從而提高轉(zhuǎn)速和位置調(diào)節(jié)性能，方便電機(jī)控制。滑模變結(jié)構(gòu)控制

52、最早是由前蘇聯(lián)學(xué)者 Utkin 和 Emelyanov 提出來(lái)的。通過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程的各個(gè)領(lǐng)域，特別對(duì)于非線性系統(tǒng)，有著很好的參數(shù)攝動(dòng)魯棒性。滑模變結(jié)構(gòu)控制主要特點(diǎn)是對(duì)于滑動(dòng)模態(tài)內(nèi)部參數(shù)變化與外界干擾等具有不靈敏性，即魯棒性強(qiáng)的特性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制對(duì)于參數(shù)攝動(dòng)和擾動(dòng)強(qiáng)魯棒性是有條件的，對(duì)一般的線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要滿足以下條件，即滑模動(dòng)態(tài)匹配條件。（1）系統(tǒng)抗外界擾動(dòng)特性當(dāng)系統(tǒng)受到外界動(dòng)時(shí)，原有系統(tǒng)狀態(tài)空間方程變?yōu)椋? Ax + Bu + Df (4-1)其中， f 表示不確定外界干擾。系統(tǒng)模型不受干擾的充分必要條件是：rank B , D = rankB (4-2)則狀態(tài)空間方程可

53、變?yōu)椋?= Ax + B (u + Df) (4-3)式中：D =B可通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制函數(shù)u(x)可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償不確定干擾量 f ?？芍蓴_和系統(tǒng)的完全匹配條件即為式(4-4)。（2）系統(tǒng)參量變化不靈敏性由系統(tǒng)狀態(tài)空間方程可得，當(dāng)系統(tǒng)存在不確定性時(shí)，即系統(tǒng)內(nèi)某些參量不定可得狀態(tài)方程：x = Ax + Bu ( x)+ A x (4-5)滑動(dòng)模態(tài)對(duì)于參量不定的不靈敏性的充分必要條件：=Ax + B (u(x)+x) (4-6)通過(guò)設(shè)計(jì)控制函數(shù) 可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償參量攝動(dòng)，不確定性和系統(tǒng)的完全匹配條件即為式(4-5)。（3）對(duì)于同時(shí)存在外界擾動(dòng)和參數(shù)攝動(dòng)的情況狀態(tài)空間方程變?yōu)椋?= Ax + Bu (

54、 x)+ A x + Df (4-7)系統(tǒng)若滿足(4-2)式和(4-5)式則系統(tǒng)狀態(tài)空間方程變?yōu)椋?Ax+B(u(x)+A x + Df) (4-8)則系統(tǒng)對(duì)于外界擾動(dòng)和參數(shù)攝動(dòng)均具有完全匹配特性，所以滑動(dòng)模態(tài)與系統(tǒng)的對(duì)于系統(tǒng)的外干擾和參數(shù)攝動(dòng)完全無(wú)關(guān)。圖 4-1 滑?？刂七^(guò)程原理圖根據(jù)滑模控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)期望動(dòng)態(tài)特性切換面，通過(guò)系統(tǒng)控制函數(shù)控制系統(tǒng)狀態(tài)向滑動(dòng)模態(tài)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到切換面時(shí)，控制器將控制系統(tǒng)沿滑模面附近做平滑穿越運(yùn)動(dòng)，最終穩(wěn)定在原點(diǎn)處。系統(tǒng)的特性和參數(shù)只與切換面有關(guān)，與外界干擾無(wú)關(guān)，所以控制器具有很強(qiáng)的魯棒性?；？刂破髟O(shè)計(jì)過(guò)程：（1）通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器，主要方法包括極點(diǎn)配置，特征向量配置，最優(yōu)化設(shè)計(jì)。（2）根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制器，設(shè)計(jì)合適的切換面，即切換函數(shù)。切換函數(shù)的選擇有很多種，而對(duì)于滑?？刂频木扰c相應(yīng)速度，主要取決于切換函數(shù)的設(shè)計(jì)。同時(shí)保證系統(tǒng)控制時(shí)具有漸進(jìn)穩(wěn)定的良好品質(zhì)。（3）通過(guò)所設(shè)計(jì)的切換函數(shù)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的控制函數(shù)，控制函數(shù)是保證系統(tǒng)存在外界擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)在任意初始狀態(tài)均可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，通過(guò)滑?？刂瓶蛇_(dá)方程判定系統(tǒng)的可達(dá)性，根據(jù)李雅普諾夫的穩(wěn)定判據(jù)，判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)滑?？刂铺攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)期望動(dòng)態(tài)特性切換面，通過(guò)系統(tǒng)控制函數(shù)控制系統(tǒng)狀態(tài)向